Efficient routing protocol for energy harvesting wireless sensor networks (EH-WSNs)

Abstract

Kablosuz algılayıcı ağlar sağlık sistemlerine ilişkin sistemlerin izlenmesi, sıcaklık ölçümü, bilgi toplama gibi birçok çevre bilgisi toplama uygulamalarında yaygın şekilde kullanılmaktadır. Ancak algılayıcı düğümlerin pille çalışıyor olmalarından dolayı bulundukları ağın ömrü taşıdıkları batarya kapasitesiyle sınırlıdır. Piller tükendiği zaman bütün ağ uygun şekilde çalışmayabilir. Son yıllarda kablosuz algılayıcı ağlar için bulundukları çevreden elde edebilecekleri güneş ve rüzgar enerjisi gibi bazı enerji üretme veya muhafaza etme teknikleri geliştirilmiştir. Bu teknikler özel olarak geliştirilmiş etkin yönlendirme protokolleriyle algılayıcı düğümlerin harcadıkları enerjinin elde ettiklerinden az veya eşit olduğu enerji nötr bir durumda çalışabilmelerine yardımcı olur. Böyle bir durumda herhangi bir düğüm enerji nötr olarak adlandırılabilir. LEACH, Kablosuz algılayıcı ağlarda iyi bilinen küme tabanlı, enerji kullanımını azaltmaya yönelik bir yönlendirme protokolüdür. Bu tez kapsamında, Enerji Nötr bir LEACH protokolü (EN-LEACH) ile geleneksel LEACH protolokü geliştirilmeye çalışılmıştır. Protokol küme başlarının (cluster heads-CH) veri iletişim mesafelerini azaltacak şekilde her küme için bir geçit düğümü (Gateway node-GN) kullanılmasını içermektedir. Küme başları kendi düğümlerinden topladıkları veriyi geçit düğümlerine yönlendirir ve bu veri CH-GN-CH-GN-BS yolları şeklinde baz istasyonuna (Base Station-BS) iletilir. EN-LEACH, kablosuz algılayıcı ağlar için enerji nötr durumunu sağlayan ve bütün ağ verimliliğini arttıran bir protokoldür.

Wireless Sensor Networks are widely used in many areas such as health monitoring, temperature sensing, and numerous information gathering applications. However, these sensor nodes are usually battery powered and the lifetime of the network is constrained by the restricted battery capacity. The whole network will not be functioning properly when sensors' batteries are exhausted. Energy harvesting technique has been introduced for wireless sensor networks in recent years to provide extra energy source that can be harvested from the ambient environment, such as solar energy and wind power. This technique provides a possibility that, with efficient routing protocols, sensors can operate in an Energy Neutral state so that the energy consumption is less than or equal to the amount of energy harvested. A sensor is said to be Energy Neutral in this certain period of time. LEACH is a well-known clustering-based routing protocol that tries to minimize energy dissipation in WSNs. In this thesis, we proposed an Energy Neutral LEACH routing protocol which is an extension to the traditional protocol LEACH. The main idea of our protocol consists in using Gateway nodes to reduce the data transmission ranges of CH nodes. When a CH collects data from all its cluster member nodes, it forwards the data to a gateway node, and then the data would be transmitted towards to the BS by CH-GN-CH-GN-BS path. EN-LEACH is able to ensure the energy neutral state of a sensor network and maximizes the overall network throughput.