Optimal power control, rate adaptation and scheduling for UWB-based intra-vehicular wireless sensor networks

Abstract

Araç içi kablosuz algılayıcı ağları sağladığı parça, onarım ve bakım giderlerindeki düşüş, kabloların çıkarılması yoluyla elde edilen yakıt verimliliği ve kablolu teknolojiyle kullanılmasına imkan olmayan Akıllı Lastik gibi yeni algılayıcı teknolojilerinin uygulanmasna elverişliliği ile ümit veren yeni bir araştırma alanıdır. Haberleşme ve kontrol sistemleriyle yakın etkileşimi, yüksek güvenilirlik, enerji verimliliği ve gecikme gereklilikleri araç içi kablosuz algılayıcı ağların ayırt edici özelliklerindendir. Bu gereklilikleri, böylesinezorlu bir ortamda ve kısa mesafede karşılayabilecek en uygun iletişim teknolojisi ultra geniş bantlı iletişimdir. Bu tezde, ultra geniş bant iletişim tabanlı arac içi kablosuz algılayıcı ağlar için optimum güç kontrolü, veri gönderimi hız adaptasyonu ve çizelgeleme tekniği bir ve birden fazla Elektronik Kontrol Ünitesi (EKÜ) için incelenmektedir. Bir EKÜ bulunan ağda, optimum güç kontrolünün ve veri gönderim hız adaptasyonunun çizelgeleme algoritmasından bağımsız olduğu gösterilmiştir. Çizelgeleme problemi icin optimal çözüm, polinom zamanda çözülemeyen bir Karışık Doğrusal Tamsayı Programlama problemi olarak formülleştirilmiştir. Bunun üzerine, sabiti 2 olanbir yaklaşım algoritması çizelgeleme problemi için tasarlanmıştır. Algılayıcıların eşzamanlı gönderiminin mümkün olduğu, birden fazla EKÜ bulunan ağda, optimum güç kontrolü problemi polinom zamanda çözülebilen bir Geometrik Programlama problemi olarak; optimum çizelgeleme problemi ise algılayıcısayısına göre üstel sayıda değişkeni olan bir Karışık Doğrusal Tamsayı Programlama problemi olarak formüle edilmiştir. Bunun üzerine, çizelgeleme için, bir EKÜ bulunan ağ için tasarlanan algoritmann birden fazla EKÜ bulunması durumunda başarımını artırma fikri üzerine kurulu buluşsal bir çizelgelemealgoritması tasarlanmıştır.

Intra-vehicular wireless sensor networks (IVWSN) is a promising new research area that can provide part cost, assembly, maintenance savings and fuel efficiency through the elimination of the wires, and enable new sensor technologies to be integrated into vehicles, which would otherwise be impossible using wired means, such as Intelligent Tire. The distinguishing properties of this network include the close interaction of the communication and control systems, strict reliability, energy efficiency and delay requirements. UWB is the most suitable technology that can meet these requirements in such a harsh environment containing a large number of reflectors operating at extreme temperatures at short distance. In this thesis, optimal power control, rate adaptation and scheduling for UWB-based IVWSN is investigated for one Electronic Control Unit (ECU) and multiple ECU cases. For one ECU case, we show that the optimal rate and power allocation is independent of the optimal scheduling algorithm. We prove the NP-hardness of thescheduling problem and formulate the optimal solution as a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem. We then propose a 2-approximation algorithm, Smallest Period into Shortest Subframe First (SSF) algorithm. For the multiple ECU case where the concurrent transmission of links is possible, we formulate the optimal power control as a Geometric Programming(GP) problem and optimal scheduling problem as a MILP problem where the number of variables is exponential in the number of the links. We then propose a heuristic algorithm, Maximum Utility based Concurrency Allowance (MUCA) algorithm, based on the idea of improving the performance of the SSF Algorithm significantly in the existence of multiple ECUs by determining the sets of maximum utility.