Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1952
Main Title: Heterogeneous Energy-Constrained Wireless Sensor Networks: Selected Hardware Aspects
Translated Title: Heterogene energiebeschränkte drahtlose Sensornetzwerke: ausgewählte Hardwareaspekte
Author(s): Kubisch, Martin
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Netzwerke, die aus beliebig platzierbaren Sensoren bestehen, können das Verständnis unserer Umwelt verbessern. Wenn diese Netzwerke mit Steuerungseinheiten verbunden sind, kann sogar Einfluss auf die Umwelt genommen werden. Einen bequemen und günstigen Einsatz solcher Netzwerke erreicht man, wenn die Sensoren auf einfache Art und Weise sowie in großem Umfang im Beobachtungsgebiet verteilt werden. So können die Sensoren ein drahtloses Netzwerk bilden und die Beobachtungen in einer bis dato unbekannten Schärfe gewonnen, verarbeitet oder einem Benutzer zugänglich gemacht werden. Dabei sind eine lange Lebenszeit und die Fähigkeit zur Selbstorganisation wichtige Anforderungen an das Netzwerk. Weiterhin müssen die Sensoren günstig und unabhängig von Versorgungs- bzw. Verbindungskabeln sein. Diese Anforderungen führen zu einfach gebauten Sensoren mit einer begrenzten Energieversorgung, wobei die Sensoren jedoch geeignet sein müssen, die Kommunikation im Netzwerk effektiv zu unterstützen. Das Ziel ist dabei, die einzelnen Sensoren eines drahtlosen Sensornetzwerks so zu verändern, dass dadurch sowohl die einzelnen Sensoren als auch das gesamte Netzwerk profitiert, wobei sich die Kosten für einen einzelnen Sensor nicht ändern sollten. In der folgenden Arbeit wird dieser Herausforderung durch eine Heterogenisierung des Netzwerks begegnet. Verschiedene Untersuchungen belegen, dass Netzwerke, die aus unterschiedlich optimierten Sensoren bestehen, eine bessere Effizienz aufweisen können als homogene Netzwerke. In dieser Arbeit werden verschiedene Hardwarekomponenten eines Sensorknotens betrachtet, die einen beträchtlichen Einfluss auf den Energiehaushalt haben. Bei gegebenem Netzwerkszenario kann durch die richtige Wahl des Mischungsverhältnisses der Komponenten das Verhalten verbessert werden. Eine solche Optimierung kann entweder die Kosten der Energieversorgung des Knotens senken oder die Lebenszeit des Netzwerks verbessern. Im Speziellen werden in dieser Arbeit der Leistungsverstärker, die Antennen und die Energieversorgung eines Sensorknotens betrachtet. Wenn durch heterogenen Einsatz der einzelnen Komponenten eine Verbesserung der Effizienz des Sensornetzwerks erreicht werden kann, stellt sich als nächstes die Frage wie sich eine Kombination auswirkt. Insbesondere ist dabei zu klären, ob eine Vervielfachung des Gewinns auftritt oder ob sich die Gewinne überlagern. Dieser Fragestellung wird nachgegangen und es wird untersucht, wie die einzelnen Komponenten zur Gesamtverbesserung beitragen bzw. welche Komponenten den Hauptanteil am Gewinn des Gesamtsystems tragen. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit liegt in der Untersuchung, ob und wie eine Änderung von Hardwareteilen der Sensoren und deren heterogener Einsatz ein geeignetes Mittel sind, um die Effizienz von drahtlosen Sensornetzwerken zu erhöhen. Dabei wird aufgezeigt, wie die Charakteristik einzelner Komponenten geändert werden muss, um dies zu erreichen.
Networks of non-attached sensors can be a means to enhance and amend the human understanding of the environment. They can be used to adapt the environment when control mechanisms exist. The most convenient realization of such networks is to deploy sensor nodes over the area of interest in an unplanned and probably massive way. Then the deployed sensor nodes discover their neighboring nodes and create a wireless network that gathers, processes and delivers observations with un-preceeded details. Important requirements in such wireless sensor networks are a long-lifetime and the capability to self-organize. Another pre-requisite is that a single node is inexpensive and self-sufficient. This leads to simple nodes with a limited power supply, however these nodes must be suitable for communication in wireless networks. Hence, the challenge of wireless sensor networks is to change existing nodes in a way that benefits the single node as well as the network of nodes, however the costs of the nodes should be as low as possible. The following thesis addresses this challenge by creating heterogeneous networks that contain differently optimized sensor nodes – a fact known to improve the efficiency of wireless networks. The heterogeneity is based on certain hardware components that have a significant influence on the energy consumption of a node, therewith reducing the costs of the node’s power supply or conversely, extending the abilities of the node or the network like the lifetime. Using these differently optimized components, different sensor scenarios can be equipped with different mixtures of nodes (and components), yet a particular mixture achieves the best performance for a given scenario. In particular we consider the power amplifier, the antenna system, and the power supply in this thesis. Using a heterogeneity of each single component can potentially improve the efficiency of wireless sensor networks. However, a joint optimization might improve the efficiency even further. Hence, the question followed in this thesis is to which extent a heterogeneous use of the different components contributes to the improvements. That is, which modification of a component results in a major or minor improvement and whether the improvements of the components are cumulative. The contribution of this thesis is to assess whether and how a heterogeneity of wireless sensors with differently modified components can be utilized to improve the efficiency of wireless sensor networks and whether and how the characteristics of specific components of a sensor node can be modified such that the efficiency of the node or the network is improved.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19064
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2249
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1952
Exam Date: 9-Jun-2008
Issue Date: 28-Aug-2008
Date Available: 28-Aug-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Drahtlose Sensornetzwerke
Energieeffizienz
Heterogene Netzwerke
Sensorhardware
Energy efficiency
Heterogeneous networks
Sensor hardware
Wireless sensor networks
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