Performance Analysis of Energy-efficient Cooperative Relays for Wireless Sensor Networks

Abstract

For information transfer in wireless sensor networks (WSNs) efficiently with mobile devices, the most important factors to be considered include the amount of energy consumption, and transmitting correct information on the wireless links within expected transmission time interval. In terms of mobile users’convenience with mobile devices, the life time of the battery is very important. Therefore, organizing efficient wireless sensor networks in an energy-efficient manner is indispensible. Also, as mobile devices in the wireless sensor networks move very rapidly, networks should be reorganized in a timely manner with efficient topologies. Furthermore, to apply effective relay partner selection process in the wireless sensor networks to a practical environment, transmitting reliable information of each link for energy saving to each node is very important. Studies about incorporation of a cooperative node in wireless sensor networks are flourished in recent years. These are on the aim of increasing total capacity of WSNs. However, to our best knowledge, the quantitative approaches of performance analysis are very few. Therefore, it is worthwhile to investigate analytical aspects because these can cause significant effects on the Ad Hoc network performance regarding network life time and information transfer. This thesis suggests incorporation of relay nodes in wireless sensor networks, focused on selecting a proper position of relay nodes with a numerical example. On the process of selecting and placing a cooperative relay node, signal transmission can be delayed and energy consumption due to delay can also be increased frequently. Also, this type of energy consumption can be induced due to lack of node mobility. In this thesis, to address the problem, capacity criteria have been proposed in order to select a cooperative relay node in WSNs, under the environment where direct path has a poor link gain. This process may ensure the efficiency improvement of signal transfer between source and destination and reduction of energy consumption as well. In this study, two criteria are incorporated to select a cooperative relay node. Firstly, calculate the energy gain ratio between the relay path and the direct path. These are defined as the ratio between the energy factors of and . Each stands for an inverse of direct path gain and relay path gain. Secondly, investigate the effects of relay node’s usage in WSNs through the simulation in terms of energy consumption. In the simulation, the relationship between energy consumption and direct path gain, uniformly generated in the certain range could be identified. According to simulation results, it is claimed that energy efficiency of relay nodes is much better with less direct path gain, especially under the link gain less than 0.3. In conclusion, using a selected cooperative relay node based on the selected criteria is effective in terms of both energy efficiency and capacity of WSNs especially when direct path gain is relatively low.;이동성이 큰 단말기로 구성 된 네트워크를 효율적으로 사용하기 위하여 고려해야 할 사항 중 중요한 것이 소비전력에 대한 효율적인 사용과 신호를 빠르고 정확하게 보내는 것이다. 이동성이 뛰어난 단말기들은 대부분 편의성을 위하여 배터리 또는 충전용 배터리 사용을 주로 하며 이동에 따라 정확한 네트워크 구성을 할 수 있어야 하기 때문이다. 또한 실제 응용에서는 최종 사용자에게 노드에서 감지한 소비전력에 대한 정보를 신뢰성 있게 전달하는 것이 중요하다. 최근 이루어진 많은 연구에는 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks) 내에서 릴레이 노드(Relay Node)를 사용에 따른 소비전력 감소 효과와 그에 따른 적절한 릴레이 노드 배치에 대한 연구가 이루어 지고 있다. 이러한 방법들은 릴레이 노드를 선정하고 배치하는 과정에서 알고리즘을 사용하면 시간이 지연되거나 그로 인해 소비전력이 증가하여 단말기의 이동성을 충분히 지원하지 못하는 경우가 빈번하게 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 통신에 장애가 생긴 부분에 한해 단말과 단말기 간 릴레이 노드의 사용으로 단말기의 소비전력을 감소시키고 단말간 통신을 효율적으로 할 수 있다. 본 논문에서는 무선 센서 네트워크 내에서 SNR(Signal to Power Ratio)과 릴레이 노드의 신호 증폭률( ) 그리고 단말과 단말 간 직접적으로 통신하는 경우 경로의 이득의 변화에 따른 무선 센서네트워크의 에너지 소모에 대한 이득에 대하여 고찰하였다. 이를 통해 무선 센서 네트워크 통신에 가장 큰 영향을 미치는 단말과 단말 간 직접 통신하는 경로의 이득임을 착안하여 단말과 단말간 직접적으로 통신하기 어려운 경우, 적절한 릴레이 노드를 선택하여 사용함으로써 직접적으로 통신하는 경우와 비슷한 수준의 전력만을 사용하여 무선 센서 네트워크 내에서 효율적으로 통신이 이루어 질 수 있게 하는 방법에 대해 제안하였다. 릴레이 노드를 선정 시 릴레이 노드와 직접 경로간 에너지 이득을 비율로 계산하여 에너지 기준 요소(Energy Factor)로 릴레이 노드를 선정하고 이를 통하여 개선되는 소비전력과 데이터 전송 용량에 대하여 분석하였으며 무선 센서 네트워크에서 네트워크 생존시간을 증가시키기 위하여 릴레이 노드를 함께 사용하는 것이 직접 경로 통신만 사용하는 것보다 통신 효율적인 측면과 에너지 측면에서 모두 뛰어남을 확인하였다.