(2009) A STUDY ON CROSS LAYER OPTIMIZATION FOR APPLICATION SPECIFIC WIRELESS SENSOR NETWORKS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_final.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه الرسالة تم دراسة عملية توصيل البيانات في شبكات المجسات اللاسلكية . حيث تم تحديد العوامل الرئيسية التي تؤثر في فاعلية عملية توصيل البينات من مختلف المجسات الى المركز الرئيسي للشبكة. وبناء على دراسة البروتوكولات الموجدة حاليا و التي تتحكم في عملية توصيل البيانات فقد تم اقتراح اطار عمل عام يتحكم في توصيل البيانات . وقد تم اعتماد طريقة الطبقات المتداخلة في تصميم هذا الاطار العام. ويهدف هذا الاطار العام الى زيادة عمر شبكة المجسات اللاسلكية. وتم تسمية هذا الاطار العام بـ: البروتوكول العام المعتمد على الزمن والموفر للطاقة. في هذا الاطار العام يمكن لأي مجس الاتصال بالمركز الرئيسي مباشرة ، حيث يتم بناء شجرة لربط جميع المجسات و توصيلها بالمركز الرئيسي ، و بناء على هذه الشجرة يتم بناء جدول زمني لهذه المجسات لارسال بياناتها الخاصة. و قد تم فحص الاطار المقترح باستخدام شبكات و تطبيقات مختلفة حيث اظهر هذا الاطار العام تحسنا ملحوظا من حيث عمر الشبكة و الطاقة المستهلكة و كمبية البيانات المرسلة للمركز الرئيسي مقارتة مع بعض البروتوكولات الموجودة حاليا. و بالاضافة الى ذلك فقد تم في هذه الرسالة اقتراح حالة خاصة من هذا الاطار العام ، وقد سميت هذه الحالة الخاصة بــ: بروتوكول توصيل البيانات الموفر للطاقة. في هذا البروتوكول الخاص تستطيع المجسات القريبة فقط من المركز الرئيسي الاتصال مباشرة بالمركز الرئيسي ، وقد تم مقارنة هذا البروتوكول الخاص ببعض البروتوكولات الموجودة حاليا حيث اظهر كذلك تحسنا ملحوظا من حيث عمر الشبكة والطاقة المستهلكة وكمية البيانات الواصلة للمركز الرئيسي. وقد تم كذلك في هذه الرسالة تعميم بروتوكول البيانات المركزية و المدرك للطاقة حيث يمكن لأي مجس في البروتوكول العام الاتصال بالمركز الرئيسي مباشرة و تم مقارنة البروتوكول العام بالبروتوكول الاصلي حيث اظهر تحسنا ملحوظا . بالاضافة الى ذلك فقد تم في هذه الرسالة اقتراح مقياس جديد لقياس كمية البيانات الواصلة للمركز الرئيسي في البروتوكولات الهيكيلة لشبكات المجسات اللاسلكية ، حيث تم تعريف المقياس الجديد على انه كمية المعلومات الواصلة للمركز الرئيسي. و تكمن اهمية هذا المقياس الجديد في انه يوفر فهم اوضح للبروتوكولات الهيكيلة الخاصة بتوصيل البيانات. ولاستكشاف الحلول المثالية التي يمكن الحصول عليها اذا كانت جميع المعلومات الخاصة بشبكة المجسات اللاسلكية معروفة فقد تم في هذه الاطروحة اقتراح نموذج برمجة خطي عددي للبروتوكول المقترح . وتم اقتراح اربعة دوال تكلفة مختلفة لهذا النموذج الخطي ، و قد استخدم برنامج لينجو لحل هذا النموذج باستخدام الدوال المختلفة. حيث تم مقارنة نتائج الحلول الناتجة عن هذا النموذج الخطي بنتائج حلول البروتوكول المقترح ، و بالاضافة الى ذلك فقد تم مقارنة نتائج الحلول المختلفة الناتجة عن حل النموذج الخطي باستخدام دوال التكلفة المقترحة .

English Abstract

In our research, we study data forwarding in WSN. The main parameters that affect the operation of data forwarding from sensor nodes to sink are identified. Based on our study of the existing protocols, we propose a framework to forward data from sensor nodes to sink. A cross layer design methodology is adopted in designing our framework. Our framework aims at maximizing network lifetime. The proposed framework is called a Generalized Energy-Efficient Time-Based communication protocol (GET). In GET, any node can communicate with the sink directly, and an energy efficient tree is constructed from all nodes toward the sink. Based on this tree, a TDMA schedule is built to forward data from all nodes to the sink. GET is validated using different network configurations and it shows good improvements compared with EAD and LEACH. Moreover, An Energy Efficient Data Communication Protocol (EEDS) which is a special case of GET is proposed. In EEDS, only the nodes that are close to sink can communicate with it directly. In addition, we generalize the Energy-Aware Data Centric Routing (EAD) such that any node can communicate with the sink directly. The new protocol is called EADGeneral. Extensive simulation experiments show that EADGeneral outperforms EAD. Moreover, we proposed Information-Entropy based metric to measure the throughput in WSN. In the new metric, we defined the throughput as the amount of information delivered to the sink. The proposed metric yields a better understanding of the operation of the WSN application. Finally, to explore the optimal solutions that can be produced assuming global information, we formulate EEDS with an integer linear programming (ILP) model. We proposed four cost functions for the ILP model. We used LINGO solver to solve our model. The results obtained by solving the ILP model under the first cost function are compared with the results obtained by simulation. Moreover, optimal solutions using different cost functions for different network configuration are compared.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Baroudi, Uthman
Committee Co-Advisor:	Selim, Shokri
Committee Members:	Al-Mouhamed, Mayez and Al-Suwaiyel, Mohammad and Sheltami, Tarek
Depositing User:	TAYSEER AL-KHDOUR
Date Deposited:	10 Aug 2009 11:54
Last Modified:	01 Nov 2019 14:11
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/136132