University of Oulu

Energy efficiency improvements for wireless sensor networks by using cross-layer analysis

Saved in:
Author: Karvonen, Heikki
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Communications Engineering
Centre for Wireless Communications
Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 4.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207506
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-03-02
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 12 March 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Jari Iinatti
Professor Carlos Pomalaza-Ráez
Doctor Matti Hämäläinen
Reviewer: Doctor John Farserotu
Associate Professor Mehmet Can Vuran
Opponent: Doctor John Farserotu
Associate Professor Kimmo Kansanen
Description:

Abstract

This thesis proposes cross-layer approaches which enable to improve energy efficiency of wireless sensor networks and wireless body area networks (WSN & WBAN). The focus is on the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers of communication protocol stack and exploiting their interdependencies. In the analysis of the PHY and MAC layers, their relevant characteristics are taken into account, and cross-layer models are developed to study the effect of these layers on energy efficiency. In addition, cross-layer analysis is applied at the network level by addressing hierarchical networks' energy efficiency. The objective is to improve energy efficiency by taking into account that substantial modifications to current standards and techniques are not required to take advantage of the proposed methods.

The studied scenarios of WSN take advantage of the wake-up radio (WUR). A generic WUR-based MAC (GWR-MAC) protocol with objective to improve energy efficiency by avoiding idle listening is proposed. First, the proposed cross-layer model is developed at a general level and applied to study the forward error correction (FEC) code rate selection effect on the length of the transmission period and energy efficiency in a star topology network. Then an energy efficiency model for intelligent hierarchical architecture based on GWR-MAC is proposed and performance comparison with a duty-cycle radio (DCR) approach is performed. Interactions between different layers' devices are taken into account, and the WUR and DCR approaches are compared as a function of event frequency. The third cross-layer model focuses on the effect of the FEC code rate and data packet payload length on the energy efficiency of the IEEE Std 802.15.6-based WBANs using IR-UWB PHY.

The results acquired by using analytical modelling and simulations with the Matlab software clearly illustrates the potential energy gains that can be achieved with the proposed cross-layer approaches. The developed WUR-based MAC protocol, analytical models and achieved results can be exploited by other researchers in the WSN and WBAN field. The contribution of this thesis is also to stimulate further research on these timely topics and foster development of short-range communication, which has a crucial role in future converging networks such as the Internet of Things.


Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa ehdotetaan protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä (cross-layer) lähestymistapoja, jotka mahdollistavat energiatehokkuuden parantamisen langattomissa sensori- ja kehoverkoissa. Työ kohdistuu fyysisen- ja kanavanhallintakerroksen välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Fyysisen- ja kanavanhallintakerrosten analyysissä huomioidaan niiden tärkeimmät ominaisuudet ja tutkitaan kerrosten yhteistä energiatehokkuutta. Lisäksi kerrosten välistä analyysiä sovelletaan verkkotasolle tutkimalla hierarkkisen verkon energiatehokkuutta. Tavoitteena on energiatehokkuuden parantamisen mahdollistaminen siten, että merkittäviä muutoksia nykyisiin standardeihin ja tekniikoihin ei tarvitse tehdä hyödyntääkseen ehdotettuja menetelmiä.

Tutkitut sensoriverkkoskenaariot hyödyntävät heräteradiota. Väitöskirjassa ehdotetaan geneerinen heräteradiopohjainen kanavanhallintaprotokolla (GWR-MAC), jolla parannetaan energiatehokkuutta vähentämällä turhaa kanavan kuuntelua. Kerrosten välinen malli kehitetään ensin yleisellä tasolla ja sen avulla tutkitaan virheenkorjauskoodisuhteen valinnan vaikutusta lähetysperiodin pituuteen ja energiatehokkuuteen tähtitopologiaan pohjautuvissa sensoriverkoissa. Sitten väitöskirjassa ehdotetaan energiatehokkuusmalli älykkäälle GWR-MAC -protokollaan perustuvalle hierarkkiselle arkkitehtuurille ja sen suorituskykyä vertaillaan toimintajaksoperiaatteella toimivaan lähestymistapaan. Eri kerroksilla olevien laitteiden väliset vuorovaikutukset huomioidaan heräteradio- ja toimintajaksoperiaatteella toimivien verkkojen suorituskykyvertailussa tapahtumatiheyden funktiona. Kolmas malli kohdistuu virheenkorjauskoodisuhteen ja datapaketin hyötykuorman pituuden energiatehokkuusvaikutuksen tutkimiseen IEEE 802.15.6 -standardiin perustuvissa langattomissa kehoverkoissa.

Analyyttinen mallinnus ja Matlab-ohjelmiston avulla tuotetut simulointitulokset osoittavat selvästi energiatehokkuushyödyt, jotka saavutetaan ehdotettuja menetelmiä käyttämällä. Kehitetty GWR-MAC -protokolla, analyyttiset mallit ja tulokset ovat hyödynnettävissä sensori- ja kehoverkkotutkijoiden toimesta. Tämän väitöskirjan tavoitteena on myös näiden ajankohtaisten aiheiden jatkotutkimuksen stimulointi sekä lyhyen kantaman viestinnän kehityksen vauhdittaminen, sillä niillä on erittäin merkittävä rooli tulevaisuuden yhteen liittyvissä verkoissa, kuten esineiden ja asioiden Internetissä.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0750-6
ISBN Print: 978-952-62-0749-0
Issue: 520
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.