On energy efficiency of routing with cooperative transmissions

Abstract

C¸ oklu anten sistemlerini ¨ornekleyen kooperatif iletimler, kablosuz a˘glarda toplamenerji t¨uketimini azaltmaya yardım eder. Bu tezde, bir grup g¨ondericinin ve tek biralıcının birlikte sa˘gladı˘gı, yer-zaman ileti¸simiyle kurulan sanal ¸coklu-giri¸s tekli-¸cıkı¸s(vMISO) ba˘glantıları tanımlanmaktadır. Bug¨une kadar bu tip sistemleri fiziksela¸cıdan ara¸stıran bir¸cok ¸calı¸sma yapıldı, ancak bu sistemleri kullanan daha ¨ust katmanların protokolleri geli¸smeye devam ediyor.Bu tezde, kablosuz tasarsız a˘glarda optimal ¸cok-sekmeli vMISO y¨onlendirmelerinin tanımına yeni bir bakı¸s a¸cısı getiriliyor. Yararlanılan vMISO ba˘glantılarıntemel avantajları ¸ce¸sitlili˘gin sa˘gladı˘gı iletim menzilindeki artı¸s ve gerekli iletim enerjisindeki azalı¸stır. Ozellikle, d¨u˘g¨um yo˘gunlu˘gu y¨uksek olan a˘glarda, g¨u ¨ venilir u¸ctanuca iletimlerin toplam enerji t¨uketimini, en uygun kooperatif d¨u˘g¨um setini se¸cerekve her sekmedeki d¨u˘g¨um¨un yerini belirleyerek en aza indirgeyen lineer olmayan optimizasyon programını ¸c¨oz¨ul¨uyor. Optimal ¸c¨oz¨um¨u ba˘glantıların g¨uvenirlili˘gine g¨oreve de˘gi¸sik sabitlenmi¸s iletim enerjileri i¸cin tanımlanıyor. Alınan sonu¸clar g¨osteriyorki, ¸cok sekmeli vMISO sistemler her sekmede sadece az sayıda d¨u˘g¨um i¸sbirli˘ginikullanırsa enerji t¨uketimi a¸cısından daha ¸cok verim sa˘glıyor. Bu bilgiler ı¸sı˘gında,seyrek d¨u˘g¨uml¨u a˘glar i¸cin de uygun olan yeni bir co˘grafi vMISO y¨onlendirme protokol¨u dizaynı sunuluyor.Bunlara ek olarak, vMISO ba˘glantılarını kullanan a˘glarda, a˘gın ¨omr¨un¨un uzatılması problemi ¨uzerinde duruluyor. Bu problemin lineer olmayan optimizasyonprogramı olarak modellenmesi anlatılıyor. Ayrıca, tekli-giri¸s tekli-¸cıkı¸s sistemlerlekar¸sıla¸stırıldı˘gında a˘gın ¨omr¨un¨u ¨onemli ¸sekilde arttıran yeni bir i¸sbirli˘gi seti se¸cmeve bilgi akımı arttırma tabanlı y¨onlendirme algoritması tanımlanıyor. ˙Incelemelereg¨ore vMISO ba˘glantılarının a˘gın ¨omr¨un¨u iki kattan fazla arttırabildi˘gig¨osteriliyor.

Cooperative transmissions emulating multi-antenna systems may help reduce thetotal energy consumption in wireless networks. In this thesis, we deï¬ne a vir-tual multiple-input single-output (vMISO) link to be established when a group ofnodes (transmitters) jointly enable space-time communications with a single re-ceiver. There has been plethora of research investigating physical layer issues ofsuch systems; however, higher layer protocols that exploit vMISO links in ad hocnetworks are still emerging.We present a novel approach in characterizing the optimal multi-hop vMISOrouting in ad hoc networks. The key advantages of vMISO links that we exploitare the increase in transmission range and the decrease in the required transmissionenergy due to diversity gain. Speciï¬cally, under a high node density regime, wesolve a nonlinear program that minimizes the total energy cost of reliable end-to-end transmissions by selecting the optimal cooperation set and the location of thenext relay node at each hop. Our results indicate that multi-hop vMISO systemsare energy eï¬cient only when a few nodes cooperate at each hop. We design a newgreedy geographical vMISO routing protocol that is also suitable for sparse networksusing the results determined under high node density regime.Also, we consider the network lifetime maximization problem in networks em-ploying vMISO links. We formulated the network lifetime maximization with vMISOrouting as a nonlinear program. Then, we presented a novel cooperation set selec-tion and ï¬ow augmentation based routing heuristic that can signiï¬cantly increasethe network lifetime compared to Single-Input Single-Output (SISO) systems.1