Skip to main content
SUPERVISOR
Majid Nabi
مجید نبی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Elaheh Lolaki
الهه لولاکی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Adaptive Duty Cycling Technique for Wireless Sensor Networks with Long Sleep Period
Limited available energy is one of the main challenges in Wireless Sensor Networks (W). Wireless nodes in W are typically powered by a limited battery which its energy needs to be consumed for sensing, processing, and communications of the sensor node. At the same time, a very long lifetime is usually expected which means the wireless nodes are expected to work for months or ever years without any intervention like battery recharge or replacement. However, such requirement cannot be fulfilled taking into account the current power consumption profile of state of the art low-power transceivers and embedded processors. One of the prominent techniques for enlarging the lifetime of wireless sensor nodes in W is duty cycling in which the nodes periodically fall into sleep mode and wake up for sensing, processing and communication in a short duration of time. The exact value of duty cycle directly influence the energy consumption of the wireless nodes, and picking the right value has a great impact on the quality-of-services provided by the WSN. If the wake-up duration is too short, the WSN performance such as end-to-end latency is degraded. If this duration is unnecessarily long, the energy consumption of the nodes increases which leads to shorter lifetime of the nodes and the WSN. In general, duty cycling can be static or adaptive. In static duty cycling, the sleep and wake-up durations are set and fixed at design time. In adaptive duty cycling, the duty cycle may change during network-operation based on the node conditions in the network. This thesis aims at designing an efficient adaptive duty cycling mechanism for W with very long sleep periods. Such W may, for instance, be exploited in environment monitoring applications such as water or air quality monitoring systems. In such application, the sampling rate of sensors is very low in the order of one sample per one or more hours. In this situation, the sleep periods between consecutive wake-up periods are very long. Thus, if the data generated by a sensor node is not delivered to the base station during a single wake-up period, its latency will be dramatically high, which cannot be tolerated by the application. We propose and develope a mechanism using which each sensor node gathers useful global information while it is contributing to the multi-hop data propagation in the network. Such global information about the network and the node’s role in data propagation is then used to set a proper value for the wake-up period of the node. The proposed technique is implemented and applied in various W with different topologies. Simulation results show that our adaptive duty cycling does not deteriorate the end-to-end data delivery latency, but saves up to 50% energy consumption is some networks.
محدودیت انرژی یکی از چالش‌های اصلی در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به حساب می‌آید زیرا در این شبکه‌ها، معمولا گره‌ها تنها به یک باتری با ظرفیت محدود مجهز هستند که باید انرژی موجود در آن را در راستای اعمالی مانند سنجش، پردازش و ارتباطات مصرف نمایند. از سوی دیگر در این شبکه‌ها انتظار می‌رود که یک گره برای ماه‌ها یا سال‌ها بدون جای‌گذاری یا شارژ مجدد باتری‌ به کار خود ادامه دهد که این مسئله با توجه به میزان مصرف توان کنونی در ساخت فرستنده/گیرنده‌ها و ریزپردازنده‌های کم‌توان امکان‌پذیر نمی‌باشد. یکی از اصلی‌ترین روش‌هایی که طول عمر طولانی گره‌ها را در این شبکه‌ها امکان‌پذیر می‌نماید روش چرخه‌کار است که گره‌ها را به صورت دوره‌ای به حالت خواب می‌برد و انرژی مصرفی شبکه را با افزایش زمان سپری شده گره‌ها در حالت خواب، کاهش می‌دهد. مقدار چرخه‌کار یک گره در این روش با محاسبه نسبت طول دوره بیداری به طول چارچوب بدست می‌آید که رابطه مستقیمی با انرژی مصرفی گره مذکور دارد و انتخاب مقدار بهینه آن تاثیر قابل‌توجهی بر روی عملکرد سیستم می‌گذارد. در روش مربوطه، اگر طول دوره بیداری کم‌تر از زمان بهینه باشد عملکرد معیارهایی همچون نرخ تحویل داده و تاخیر زیر سوال می‌رود و اگر طول دوره بیداری بیش‌تر از زمان بهینه باشد انرژی مصرفی شبکه بی‌جهت افزایش می‌یابد. به طور کلی، روش چرخه‌کار در شبکه‌های حسگر بی‌سیم به دو صورت ایستا و تطبیقی به گره‌های شبکه اعمال می‌شود، در روش ایستا، مدت زمان خواب و بیداری گره‌ها در ابتدای اجرا تنظیم می‌شود و تا آخر ثابت باقی می‌ماند اما در روش تطبیقی، مدت زمان بیداری گره‌ها متناسب با شرایط و محل قرارگیری‌شان در شبکه تنظیم می‌شود و در طول اجرا مکررا تغییر می‌یابد. در این پژوهش، هدف ارائه یک روش چرخه‌کار تطبیقی برای شبکه‌هایی با دوره خواب طولانی مدت در کاربردهای نظارت محیطی نظیر پایش کیفیت آب یا پایش کیفیت هوا است. در این کاربردها اغلب نرخ نمونه‌برداری کم است و سنجش تنها در هر یک ساعت یک‌بار اتفاق می‌افتد. در این شرایط با توجه به فاصله زیاد بین دو بیداری متوالی، اگر گره‌ها نتوانند در زمانی کم‌تر از یک چارچوب، داده‌های خود را ارسال نمایند تاخیر زیادی داده‌های شبکه را تهدید می‌کند. به همین‌ منظور، ما روشی را ارائه کردیم که در آن، گره‌های حسگر بی‌سیم در حین مشارکت در انتقال داده‌ها به صورت چندگامی، اطلاعات مناسبی از موقعیت و نقش خود در تحویل داده‌ها کسب می‌کنند و بر اساس این اطلاعات جمع‌آوری شده به صورت مستقل در مورد مدت بیداری خود در هر دوره تصمیم می‌گیرند. هدف نهایی در این روش پیشنهادی، کوتاه کردن طول دوره بیداری و در نتیجه کاهش مصرف انرژی است به طوری که تاخیر تحویل داده‌ها به ایستگاه پایه تحت تاثیر قرار نگیرد. روش ارائه شده بر روی شبکه‌های مختلف با ساختارهای متفاوت شبیه‌سازی شد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که روش چرخه کار تطبیقی ارائه شده، اثر منفی بر روی کیفیت سرویس‌های شبکه ندارد ولی انرژی مصرفی گره‌ها را حتی تا 50 درصد کاهش می‌دهد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی