Network dimensioning in randomly deployed wireless sensor networks

Abstract

Bu çalısmada, rastgele atılmıs kümebası ve algılayıcı olmak üzere iki farklı tiptedügümden olusan ayrısık ve kümelendirilmis kablosuz algılayıcı aglarını (KAA) elealdık. Küme baslarının genel alıcıya nasıl ulastıgına göre dogrudan ve çok zıplamalıolmak üzere iki ayrı durumu inceledik. Rastgele atılmıs KAA'da, ag boyutlandırmaproblemleri belirli olmayan niteliklerinden dolayı, en zorlayıyıcı boyutlandırma problemleriarasında yer alır. Baglı cihazlar tarafından saglanan kapsamanın seviyesiolan baglı kapsama kavramını temel alan ag boyutlandırma problemleri üzerine odaklandık.Baglı kapsamayı elde edebilmek için küme bası ve ona baglı algılayıcılarınkapsadıgı alanın beklenen degerine karsılık gelen küme büyüklügü terimini önerdik.Küme büyüklügü için formüller türettik ve bunları bilgisayar benzetimleri ile dogruladık.Bu formülleri kullanarak verilen bir hedef baglı kapsama gereksinimine göre birKAA'nı boyutlandırmak için bir yöntem önerdik.Ayrıca, dogrudan ve çok zıplamalı durumlar için bir maliyet eniyileme problemitertip ettik. Bu tertipler küme büyüklügü formülleri ve iyi-baglanmıslık kavramınıkullanmaktadır. Bu eniyileme problemlerini çözmek için bir takım bulussal aramayöntemleri önerdik. Pratik durumlarda dügüm ayrısıklıgının ucuz çözümler saglayabileceginidogruladık. Ayrıca, KAA'nın ömrünü inceledik ve baglı kapsama ve ömürkısıtları ile bir maliyet eniyileme problemi tertip ettik. Bir kisi, bu eniyileme problemleriniçözerek en düsük baglı kapsama ve ag ömrü gereksinimlerini karsılayan enucuz çözüme götüren her bir tipteki dügüm sayısını ve her tip dügüm için baslangıçenerjisini bulabilir.

In this study, we considered a heterogeneous, clustered WSN, which consists of twotypes of nodes (clusterheads and sensor nodes) deployed randomly over a sensingfield. We investigated two cases based on how clusterheads can reach the sink: directand multi-hop communication cases. Network dimensioning problems in randomlydeployed WSNs are among the most challenging ones as the attributes of these networksare mostly non-deterministic. We focused on a number of network dimensioningproblems based on the connected coverage concept, which is the degree of coverageachieved by only the connected devices. To evaluate connected coverage, we introducedthe term cluster size, which is the expected value of the area covered by aclusterhead together with sensor nodes connected to it. We derived formulas for thecluster size and validated them by computer simulations. By using the cluster sizeformulas, we proposed a method to dimension a WSN for given targeted connectedcoverage.Furthermore, we formulated cost optimization problems for direct and multi-hopcommunication cases. These formulations utilize not only cluster size formulas butalso the well-connectivity concept. We suggested some search heuristics to solve theseoptimization problems. Additionally, we justified that, in practical cases, node heterogeneitycan provide lower cost solutions. We also investigated the lifetime of WSNsand formulated a cost optimization problem with connected coverage and lifetimeconstraints. By solving this optimization problem, one can determine the number ofnodes of each type and the initial energies of each type of node that leads to lowestcost solution while satisfying the minimum connected coverage and minimum lifetimerequirements.