Algorithms for Energy Efficiency in Wireless Sensor Networks


Busse, Marcel


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URL: http://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/1809
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-18098
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2007
Verlag: Universität Mannheim
Gutachter: Effelsberg, Wolfgang
Datum der mündl. Prüfung: 21 Januar 2008
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Praktische Informatik IV (Effelsberg)
Fachgebiet: 004 Informatik
Fachklassifikation: CCS: C.2.1 Netw ,
Normierte Schlagwörter (SWD): Drahtloses Sensorsystem
Freie Schlagwörter (Deutsch): Energieeffizienz , Energieverbrauch , Routing , Aggregation , Topologiekontrolle
Freie Schlagwörter (Englisch): Energy Efficiency , Energy Consumption , Routing , Data Aggregation , Topology Control
Abstract: The recent advances in microsensor and semiconductor technology have opened a new field within computer science: the networking of small-sized sensors which are capable of sensing, processing, and communicating. Such wireless sensor networks offer new applications in the areas of habitat and environment monitoring, disaster control and operation, military and intelligence control, object tracking, video surveillance, traffic control, as well as in health care and home automation. It is likely that the deployed sensors will be battery-powered, which will limit the energy capacity significantly. Thus, energy efficiency becomes one of the main challenges that need to be taken into account, and the design of energy-efficient algorithms is a major contribution of this thesis. As the wireless communication in the network is one of the main energy consumers, we first consider in detail the characteristics of wireless communication. By using the embedded sensor board (ESB) platform recently developed by the Free University of Berlin, we analyze the means of forward error correction and propose an appropriate resync mechanism, which improves the communication between two ESB nodes substantially. Afterwards, we focus on the forwarding of data packets through the network. We present the algorithms energy-efficient forwarding (EEF), lifetime-efficient forwarding (LEF), and energy-efficient aggregation forwarding (EEAF). While EEF is designed to maximize the number of data bytes delivered per energy unit, LEF additionally takes into account the residual energy of forwarding nodes. In so doing, LEF further prolongs the lifetime of the network. Energy savings due to data aggregation and in-network processing are exploited by EEAF. Besides single-link forwarding, in which data packets are sent to only one forwarding node, we also study the impact of multi-link forwarding, which exploits the broadcast characteristics of the wireless medium by sending packets to several (potential) forwarding nodes. By actively selecting a forwarder among all nodes that received a packet successfully, retransmissions can often be avoided. In the majority of cases, multi-link forwarding is thus more efficient and able to save energy. In the last part of this thesis, we present a topology and energy control algorithm (TECA) to turn off the nodes' radio transceivers completely in order to avoid idle listening. By means of TECA, a connected backbone of active nodes is established, while all other nodes may sleep and save energy by turning off their radios. All algorithms presented in this thesis have been fully analyzed, simulated, and implemented on the ESB platform. They are suitable for several applications scenarios and can easily be adapted even to other wireless sensor platforms.
Übersetzter Titel: Energieeffiziente Algorithmen für drahtlose Sensornetze (Deutsch)
Übersetzung des Abstracts: Die jüngsten Fortschritte in der Mikrosensorik und Halbleitertechnik haben einen neuen Forschungsbereich in der Informatik hervorgebracht: die Vernetzung kleinster Sensoren, die in der Lage sind, Daten zu detektieren, zu verarbeiten und zu übertragen. Solche drahtlosen Sensornetze ermöglichen neue Anwendungen sowohl für die Beobachtung von biologischen Lebensräumen, den Katastrophenschutz, für militärische Einsätze, der Objektverfolgung und Videoüberwachung, der Verkehrssteuerung, als auch der medizinischen Versorgung und Hausautomation. Dabei ist anzunehmen, dass die eingesetzten Sensoren batteriebetrieben sein werden, wodurch die zur Verfügung stehende Energie stark eingeschränkt sein wird. Energieeffizienz wird somit zu einer der wichtigsten Herausforderungen, und ein wesentlicher Beitrag dieser Dissertation ist der Entwurf von energieeffizienten Algorithmen. Da die drahtlose Kommunikation in einem Sensornetz mit am meisten Energie verbraucht, betrachten wir zunächst deren Eigenschaften. Unter Verwendung der Embedded Sensor Board (ESB) Plattform, die vor kurzem an der Freien Universität Berlin entwickelt wurde, untersuchen wir die Verwendung von Vorwärtsfehlerkorrektur und entwickeln einen geeigneten Resynchronisations-Mechanismus, der die Kommunikation zwischen zwei ESB-Knoten wesentlich verbessert. Anschließend betrachten wir die Weiterleitung von Datenpaketen in einem Sensornetz. Hierfür entwerfen wir die drei Algorithmen Energy-Efficient Forwarding (EEF), Lifetime-Efficient Forwarding (LEF) und Energy-Efficient Aggregation Forwarding (EEAF). Während der EEF-Algorithmus ausschließlich die Anzahl an zugestellten Datenbytes pro verbrauchter Energieeinheit maximiert, berücksichtigt der LEF-Algorithmus zusätzlich die verbleibende Restenergie weiterleitender Sensorknoten. Auf diese Weise kann die Lebenszeit des Netzes weiter verlängert werden. Energieeinsparungen aufgrund von Datenaggregation und der Vorverarbeitung im Inneren des Netzes berücksichtigt das EEAF-Verfahren. Neben dem so genannten Single-Link Forwarding, bei dem Datenpakete ausschließlich zu einen einzigen weiterleitenden Knoten geschickt werden, untersuchen wir auch das so genannte Multi-Link Forwarding, das die Eigenschaften des drahtlosen und gemeinsam genutzten Funkmediums ausnutzt, indem Pakete zu mehreren (potenziell) weiterleitenden Knoten geschickt werden. Durch aktives Auswählen eines Knotens, der ein Paket erfolgreich empfangen konnte, können erneute Übertragungen von Datenpaketen häufig vermieden werden. Multi-Link Forwarding erzielt somit meistens eine verbesserte Energieeffizienz und verringert den Energieverbrauch. Der letzte Teil der Dissertation beschreibt einen Topology and Energy Control Algorithm (TECA), der es ermöglicht, die Funkeinheit eines Sensorknotens vollständig auszuschalten, wodurch das so genannte Idle Listening vermieden werden kann. TECA baut ein verbundenes Basisnetz bestehend aus aktiven Knoten auf, während alle anderen Knoten in einen energiesparenden Schlafmodus wechseln können, indem die Funkeinheit ausgeschaltet wird. Alle hier vorgestellten Algorithmen wurden vollständig untersucht, simuliert und auf der ESB-Plattform implementiert. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungszenarien und können leicht auch auf andere Sensor-Plattformen portiert werden. (Deutsch)
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Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsbibliothek Mannheim bereitgestellt.




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