Analysis of Energy-Delay Performance in Multi-hop Wireless Sensor Networks
Analyse du compromis énergie-délai pour les transmissions radio multi-sauts dans les réseaux de capteurs
Résumé
Wireless sensor networks have introduced a new paradigm of communication between devices, which are applied to different scenarios. These applications demand three important performance parameters: the end-to-end reliability, the end-to-end delay and the overall energy consumption. Due to the fundamentality of reliability in many applications, we consider it in this thesis as a hard constraint, and the other two performance criteria, i.e., energy and delay are exploited as a couple of competing criteria. Meanwhile, since unreliability is an inherent property of wireless channels, unreliable links are efficiently exploited to improve the energy-delay performance. We propose a metric for energy efficiency: mean energy distance ratio per bit and a metric for mean delay: mean delay distance, which are combined with the unreliable link model. Using these two metrics and realistic unreliable link model, the lower bounds and the Pareto front of energy-delay trade-off are derived for three kinds of communication schemes: traditional multi-hop communications, opportunistic communications and cooperative MIMO (CMIMO) communications in three different channels: Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel, Rayleigh block fading channel and Rayleigh flat fading channel. The close-form expressions of these low bounds are obtained and verified by the simulations in 2-dimonsion Poisson networks. Furthermore, these results are applied to optimize the parameters of a network including physical and protocol layers. Finally, the lower bounds of the above three communication schemes are compared in different channels respectively. The results show that in order to achieve better energy-delay performance, the corresponding communication scheme should be adopted for different channels: traditional multi-hop communications for AWGN channel, opportunistic communications for Rayleigh block fading channel and CMIMO for Rayleigh flat fading channel.
Dans cette thèse, le compromis entre la consommation d'énergie et le délai dans les réseaux de capteurs sans fil est étudié en exploitant efficacement les liens non fiables. Nous proposons une métrique de l'efficacité énergétique et une métrique de délai moyenne qui sont combinés avec le modèle de lien radio à erreur. En utilisant ces deux métriques et un modèle réaliste de lien radio, nous déduisons la limite inférieure et le front de Pareto du compromis Energie-Délai sont calculés pour trois types de systèmes de communication: la communication multi-saut traditionnelle, la communication opportuniste et la communication coopérative MIMO (CMIMO) dans trois différents canaux: le canal a bruit additif blanc Gaussien, le canal a évanouissements rapides de Rayleigh et le canal a évanouissement de Rayleigh par blocs. Les expressions de ces limites faibles sont obtenues et vérifiées par des simulations bidimensionnelles de réseaux de capteurs distribués aléatoirement. Sur la base de l'expression de la borne inférieure du compromis Energie-Délai, un cadre multi-couche est fourni pour optimiser les paramètres des couches physique, MAC et routage sous contrainte de délai. Les résultats obtenus montrent que pour parvenir à une meilleure performance Energie-Délai, les mécanismes de communication suivants devraient être adoptés selon le type de canal : les communications multi-saut traditionnelles sont les plus performantes pour le canal à bruit additif blanc Gaussien, alors que les communications opportunistes le sont pour les canaux à évanouissements de Rayleigh par blocs et enfin le CMIMO pour les canaux à évanouissements rapides de Rayleigh.
Loading...