21
Study of the Performance of Wireless Sensor Networks Operating with Smart Antennas Skiani, E.D, Mitilineos, S.A, and Thomopoulos, S.C.A September 2, 2010 Abstract Wireless Sensor Networks (WSNs) have attracted a great deal of research interest during the last few years, with potential applications making them ideal for the development of the envisioned world of ubiquitous and pervasive computing. Energy and computational efficiency constraints are the main key issues when dealing with this type of networks. The main research effort has been channeled towards routing and distributed processing in order to achieve bet- ter QoS provisions, lower interference and power consumption rate while data dissemination is carried out. The embedment of smart antennas on wireless sensor nodes is proposed herein as an alternative and novel approach at the physical layer with a potential of relieving traditional challenges faced by current WSN architectures. Studying the behavior of WSNs consisting of dif- ferent types of antennas (omnidirectional or adaptive directional) yielded unexpectedly favorable results that improve the operation of networking systems of this type. 1 Introduction Wireless Sensor Networks (WSNs) are a class of distributed computing and communication sys- tems that are an integral part of the physical space they inhabit[1]. Albeit low profile, limited computational power and sparse energy resources, their most interesting feature is the reasoning of and reaction to the world that surrounds them. Recent advances in this field have enabled the development of WSNs whose functionality relies on the collaborative effort of a large number of tiny, low-cost, low-power, multi-functional sensor nodes able to communicate untethered in short distances[2]. Moreover, engineering or pre-determining the nodes positions is not necessary. This al- lows random deployment in hostile environments or disaster relief operations, a unique feature which accounts for rendering these network types an integral part of modern life. Smart environments represent the next evolutionary development step in building, utilities, industrial, home, shipboard, and transportation systems automation[3]. This bridge to the physical world has enabled a growing bouquet of potential services, ranging from health to military and security, such as target tracking, environmental control, habitat monitoring, source detection and localization, vehicular and traffic monitoring, health monitoring, building and industrial monitoring, etc.[4]. On the other hand, WSNs display undesirable features such as power limitations, frequently changed topology, broadcast communication, susceptibility to failure and low memory, while their architecture calls for protocols and algorithms with self-organizing capabilities[2]. Furthermore, in most cases a WSN will be composed of a large number of densely deployed sensor nodes, which means that neighboring nodes might be very close to each other. Their communication is expected to produce high interference and power consumption levels. One of the most important constraints of sensor nodes stems from their limited, generally irreplaceable, power sources. Therefore, while 1

1._Motivation.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Study of the Performance of Wireless Sensor Networks Operating

with Smart Antennas

Skiani, E.D, Mitilineos, S.A,and Thomopoulos, S.C.A

September 2, 2010

Abstract

Wireless Sensor Networks (WSNs) have attracted a great deal of research interest duringthe last few years, with potential applications making them ideal for the development of theenvisioned world of ubiquitous and pervasive computing. Energy and computational efficiencyconstraints are the main key issues when dealing with this type of networks. The main researcheffort has been channeled towards routing and distributed processing in order to achieve bet-ter QoS provisions, lower interference and power consumption rate while data dissemination iscarried out. The embedment of smart antennas on wireless sensor nodes is proposed herein asan alternative and novel approach at the physical layer with a potential of relieving traditionalchallenges faced by current WSN architectures. Studying the behavior of WSNs consisting of dif-ferent types of antennas (omnidirectional or adaptive directional) yielded unexpectedly favorableresults that improve the operation of networking systems of this type.

1 Introduction

Wireless Sensor Networks (WSNs) are a class of distributed computing and communication sys-tems that are an integral part of the physical space they inhabit[1]. Albeit low profile, limitedcomputational power and sparse energy resources, their most interesting feature is the reasoningof and reaction to the world that surrounds them. Recent advances in this field have enabled thedevelopment of WSNs whose functionality relies on the collaborative effort of a large number oftiny, low-cost, low-power, multi-functional sensor nodes able to communicate untethered in shortdistances[2]. Moreover, engineering or pre-determining the nodes positions is not necessary. This al-lows random deployment in hostile environments or disaster relief operations, a unique feature whichaccounts for rendering these network types an integral part of modern life. Smart environmentsrepresent the next evolutionary development step in building, utilities, industrial, home, shipboard,and transportation systems automation[3]. This bridge to the physical world has enabled a growingbouquet of potential services, ranging from health to military and security, such as target tracking,environmental control, habitat monitoring, source detection and localization, vehicular and trafficmonitoring, health monitoring, building and industrial monitoring, etc.[4].

On the other hand, WSNs display undesirable features such as power limitations, frequentlychanged topology, broadcast communication, susceptibility to failure and low memory, while theirarchitecture calls for protocols and algorithms with self-organizing capabilities[2]. Furthermore, inmost cases a WSN will be composed of a large number of densely deployed sensor nodes, whichmeans that neighboring nodes might be very close to each other. Their communication is expectedto produce high interference and power consumption levels. One of the most important constraintsof sensor nodes stems from their limited, generally irreplaceable, power sources. Therefore, while

1

GIGER
Sticky Note
Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων έχουν προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, με πιθανές εφαρμογές που τα καθιστά ιδανικά για την ανάπτυξη του οραματίστηκε κόσμο της πανταχού παρούσα και διάχυτη υπολογιστική. Ενέργεια και υπολογιστική αποδοτικότητα περιορισμοί είναι τα κύρια ζητήματα όταν ασχολείται με αυτό το είδος των δικτύων. Η κύρια ερευνητική προσπάθεια έχει διοχετευθεί προς δρομολόγηση και κατανεμημένη επεξεργασία, προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη ποιότητα των διατάξεων υπηρεσίες, χαμηλότερες παρεμβολές και εξουσία ρυθμός κατανάλωσης, ενώ η διάδοση των δεδομένων πραγματοποιείται. Η εμπέδωση των έξυπνων κεραιών ασύρματων κόμβων αισθητήρων προτείνεται εδώ ως μια εναλλακτική και καινοτόμο προσέγγιση στο φυσικό στρώμα με δυνατότητα μετριασμού παραδοσιακές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι τρέχουσες αρχιτεκτονικές WSN. Μελετώντας τη συμπεριφορά των ασύρματα δίκτυα αισθητήρων που αποτελούνται από διαφορετικούς τύπους κεραιών (κατευθυντική ή προσαρμοστικό κατευθυντικό) έδωσε απροσδόκητα ευνοϊκά αποτελέσματα που βελτιώνουν τη λειτουργία των συστημάτων αυτού του τύπου δικτύωσης.
GIGER
Sticky Note
Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων είναι μια κατηγορία των κατανεμημένων συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνίας, που αποτελούν αναπόσπαστο μέρος του φυσικού χώρου όπου κατοικεί. Αν και χαμηλού προφίλ, περιορισμένη υπολογιστική ισχύ και αραιή ενεργειακών πόρων, πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό τους είναι η αιτιολογία της και την αντίδραση στον κόσμο που τους περιβάλλει. Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα αυτό επέτρεψαν την ανάπτυξη της ασύρματα δίκτυα αισθητήρων των οποίων η λειτουργικότητα βασίζεται στην συλλογική προσπάθεια ενός μεγάλου αριθμού μικροσκοπικών, χαμηλού κόστους, χαμηλής ισχύος, πολυ-λειτουργικό κόμβοι αισθητήρων μπορούν να επικοινωνούν προσδεδεμένα σε μικρές αποστάσεις. Επιπλέον, η μηχανική ή προ προσδιορισμού των θέσεων κόμβων δεν είναι απαραίτητη. Αυτό επιτρέπει τυχαία ανάπτυξη σε εχθρικά περιβάλλοντα ή επιχειρήσεις ανακούφισης καταστροφών, ένα μοναδικό χαρακτηριστικό που αντιπροσωπεύει για την απόδοση αυτών των τύπων δικτύου αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της σύγχρονης ζωής. Ευφυή περιβάλλοντα αντιπροσωπεύουν το επόμενο εξελικτικό βήμα στην ανάπτυξη κτίριο, επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας, βιομηχανικές, στο σπίτι, στο πλοίο, και την αυτοματοποίηση των συστημάτων μεταφορών. Αυτή η γέφυρα στον φυσικό κόσμο επέτρεψε μια αυξανόμενη μπουκέτο πιθανών υπηρεσιών, που κυμαίνονται από την υγεία και την ασφάλεια των στρατιωτικών, όπως παρακολούθηση στόχου, περιβαλλοντικό έλεγχο, την παρακολούθηση των ενδιαιτημάτων, την ανίχνευση και τον εντοπισμό πηγή, οχημάτων και παρακολούθησης της κυκλοφορίας, την παρακολούθηση της υγείας, κτιριακών και βιομηχανικών παρακολούθηση κ.λπ.

traditional networks aim at achieving high Quality of Service (QoS) provisions, WSN protocolsmust focus primarily on power conservation. Trade-off mechanisms seem necessary to increasereliability at the cost of lower throughput or higher latency. An essential design issue is relatedto the investigation of system parameters, such as network size and node density, with regards tosystem metrics including spatial coverage, throughput, latency, network lifetime, energy efficiencyand reliability and how these affect the trade-offs previously mentioned.

These issues have been engaged in the literature, with most approaches focusing on routingoptimization and protocol design. Many researchers have been developing schemes that fulfill therequirements described above, proposing protocols and algorithms for WSNs. Quality of Service(QoS) can be measured in terms of energy efficiency or the optimum number of sensors sendinginformation at any given time[5]. In the latter case, QoS control mechanisms built on the Gur GameParadigm have been put forward to adjust QoS resolution, thus extending network lifetime andmanaging energy depletion. Later, J. Frolik[6] extended the Gur game approach and, additionally,illustrated a second method providing QoS feedback through packet acknowledgments. Apart fromthe introduction of new MAC layer protocols (QUality-of-service specific Information REtrieval(QUIRE)[7], Z-MAC[8], i-GAME[9]) and network layer protocols e.g. MMSPEED (Multi-Path andMulti-SPEED Routing Protocol)[10], cross-layer design[11] is a novel approach that is lately comingunder close scrutiny.

Minimizing node interference is undoubtedly one of the main challenges in WSNs. High in-terference increases the packet collision probability which, in turn, affects efficiency and energyconsumption. Early approaches focus on reducing the node degree[12], [13]. Topology controlmechanisms, inspired by graph theory, have been developed to conserve energy in WSNs withoutbeing able to explicitly guarantee low interference, such as the model by Burkhart et al.[14] us-ing Minimum Spanning Tree (MST), the Highway model proposed by Rickenbach et al.[15] andthe “Minimizing Interference in Sensor Network (MI-S)” algorithm introduced by A.K. Sharma etal.[16]. In addition, Jang[17] drew inspiration from graph theory to propose geometric algorithmsreducing interference based on the conversion of network problems to geometry problems. Last, J.Tang et al.[18] studied multi-channel assignments to achieve interference-aware topology control inwireless mesh networks.

On the other hand, smart antennas have been extensively used in the literature of more conven-tional communications systems, and their usage is considered to expand more, due to their provenbeneficial impact in wireless communications performance[19]. Smart antennas have been suggestedin order to satisfy the demand for spontaneously high data rates to certain users while maintain-ing a high level of QoS for conventional users[20]. They have been also used in order to mitigateinterference and delay spread, increase system capacity and spectral efficiency, combat multipathfading, address the near-far effect and increase cell coverage etc.[21] [22]. Furthermore, they havebeen suggested for radiation pattern diversity, space division multiple access, direction of arrivalestimation and localization etc.[23] [24] [25]

Herein, it is proposed that WSN nodes are equipped with smart antennas, and that certainslight changes are implemented in the node selection and routing processes, in order to address theinherent drawbacks of such networks with an efficient tool, only this time in the physical layer. Ouraim is to analyze a novel technique to overcome the limitations arising from sensor nodes. We alsoattempt an investigation into pertaining design constraints promoting the use of certain tools toattain our main objectives. The emergence of adaptive systems, such as smart antennas, can boostthe performance of WSNs aiming at satisfying the growing demand for robust infrastructures.

The remainder of this paper is organized as follows. In section 2 the simulated WSN model isestablished, with the network setup, its operating modes and the basic transmission mechanism.Section 3 demonstrates the improved network performance evaluated in terms of QoS, efficiency

2

GIGER
Sticky Note
Από την άλλη πλευρά, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων εμφανίζει ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά, όπως τους περιορισμούς ισχύος, συχνά αλλάξει τοπολογία, broadcast επικοινωνία, την ευαισθησία σε αποτυχία και χαμηλή μνήμη, ενώ η αρχιτεκτονική τους απαιτεί πρωτόκολλα και αλγόριθμους με αυτο-οργάνωση των δυνατοτήτων. Επιπλέον, στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα WSN θα αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό πυκνά αναπτυγμένων κόμβων αισθητήρων, που σημαίνει ότι οι γειτονικά κόμβοι μπορεί να είναι πολύ κοντά ο ένας στον άλλον. Η επικοινωνία τους αναμένεται να παράγει υψηλής παρεμβολές και επίπεδα κατανάλωσης ισχύος. Ένας από τους πιο σημαντικούς περιορισμούς των κόμβων αισθητήρων πηγάζει από την περιορισμένη, γενικά αναντικατάστατη, πηγές τροφοδοσίας τους. Ως εκ τούτου, ενώ τα παραδοσιακά δίκτυα αποσκοπούν στην επίτευξη υψηλής ποιότητας υπηρεσίας (QoS) διατάξεις, πρωτόκολλα WSN πρέπει να επικεντρωθεί κυρίως στην εξοικονόμηση ενέργειας. Μηχανισμοί trade-off φαίνεται να είναι αναγκαίο να αυξηθεί η αξιοπιστία με κόστος το χαμηλότερο throughput ή υψηλότερο latency. Ένα σημαντικό ζήτημα σχεδιασμού που σχετίζονται με την έρευνα των παραμέτρων του συστήματος, όπως το μέγεθος του δικτύου και την πυκνότητα κόμβων, σε σχέση με τις μετρήσεις του συστήματος, συμπεριλαμβανομένου του χωροταξικού κάλυψη, throughput, latency, τη διάρκεια ζωής του δικτύου, την ενεργειακή απόδοση και την αξιοπιστία και το πώς αυτές επηρεάζουν τους συμβιβασμούς που αναφέρθηκαν προηγουμένως.
GIGER
Sticky Note
Τα ζητήματα αυτά έχουν εμπλακεί στη βιβλιογραφία, με τις περισσότερες προσεγγίσεις με έμφαση στην βελτιστοποίηση δρομολόγησης και το πρωτόκολλο του σχεδιασμού. Πολλοί ερευνητές έχουν αναπτύξει συστήματα που πληρούν τις απαιτήσεις που περιγράφονται ανωτέρω, προτείνοντας πρωτόκολλα και αλγόριθμους για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Quality of Service (QoS) μπορεί να μετρηθεί από την άποψη της ενεργειακής απόδοσης ή τον βέλτιστο αριθμό των αισθητήρων που στέλνουν πληροφορία, σε κάθε δεδομένη στιγμή. Στην τελευταία περίπτωση, οι μηχανισμοί ελέγχου QoS χτισμένο στην Gur Game Paradigm έχουν προταθεί για να ρυθμίσετε την ανάλυση QoS, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του δικτύου και τη διαχείριση εξάντληση ενέργειας. Αργότερα, J. Frolik επεκταθεί η προσέγγιση του παιχνιδιού Gur και, επιπλέον, απεικονίζεται μία δεύτερη μέθοδος παρέχει QoS ανάδραση μέσω του πακέτου acknowledgment. Εκτός από την εισαγωγή των νέων πρωτοκόλλων επιπέδου MAC (ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας ειδικών Ανάκτησης Πληροφοριών (QUIRE), Ζ-MAC, i-GAME) και το στρώμα δικτύου πρωτόκολλα π.χ. MMSPEED (πολλαπλών διαδρομών και πολλαπλών ταχυτήτων Routing Protocol), το cross-layer design είναι μια νέα προσέγγιση, που τον τελευταίο καιρό έρχεται υπό στενό έλεγχο.
GIGER
Sticky Note
Μειώνοντας τις παρεμβολές των κόμβων είναι ανδιαμφησβίτιτα μία από τις κύριες προκλήσεις για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Υψηλή παρεμβολή αυξάνει την πιθανότητα σύγκρουσης πακέτων οποία, με τη σειρά του, επηρεάζει την αποτελεσματικότητα και την κατανάλωση ενέργειας. Πρόωρες προσεγγίσεις επικεντρώνονται στη μείωση του βαθμού κόμβου. Μηχανισμοί ελέγχου Τοπολογία, εμπνευσμένο από τη θεωρία γράφων, έχουν αναπτυχθεί για την εξοικονόμηση ενέργειας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, χωρίς να είναι σε θέση να εγγυηθεί ρητά χαμηλής παρεμβολής, όπως το μοντέλο από Burkhart et al. χρησιμοποιώντας ελάχιστο spanning tree (MST), το μοντέλο Highway προτείνεται από Rickenbach κ.ά.. και η «ελαχιστοποίηση της παρέμβασης στη Δίκτυο Αισθητήρων (MI-S)" αλγόριθμο που θεσπίστηκε με AK Sharma et al .. Επιπλέον, Jang εμπνεύστηκε από τη θεωρία γραφών να προτείνει γεωμετρικών αλγορίθμων που μειώνουν τις παρεμβολές που βασίζεται στην μετατροπή των προβλημάτων του δικτύου σε προβλήματα γεωμετρικά. Τέλος, J. Tang et al. Σπούδασε ανάθεση πολυκαναλιού για την επίτευξη τοπολογίας ελέγχου που είναι ενήμερη για τις παρεμβολές, σε ασύρματα δίκτυα πλέγματος.
GIGER
Sticky Note
Από την άλλη πλευρά, οι έξυπνες κεραίες έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς στην βιβλιογραφία των πιο συμβατικά συστήματα επικοινωνιών, καθώς και η χρήση τους θεωρείται να επεκτείνει περισσότερο, λόγω της αποδεδειγμένα ευεργετική επίδραση τους στην απόδοση της ασύρματης επικοινωνίας. Οι έξυπνες κεραίες έχουν προταθεί, προκειμένου να ικανοποιηθεί η ζήτηση για αυθόρμητα υψηλούς ρυθμούς δεδομένων σε ορισμένους χρήστες, διατηρώντας παράλληλα ένα υψηλό επίπεδο ποιότητας της υπηρεσίας για τις συμβατικές τους χρήστες. Έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης για να μειώσουν τις παρεμβολές και καθυστέρηση διάδοσης, την αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος και της φασματικής απόδοση, την καταπολέμηση του multipath fading, την αντιμετώπιση του near-far effect και να αυξήσουν την κάλυψη των κελιών κλπ .. Επίσης, έχουν προταθεί για τη ποικιλομορφία του διαγράμματος ακτινοβολίας, διαίρεσης χώρου πολλαπλής πρόσβασης, της διεύθυνσης άφιξης και εντοπισμού κ.λπ.
GIGER
Sticky Note
Εδώ, προτείνεται ότι οι κόμβοι WSN είναι εξοπλισμένοι με έξυπνες κεραίες, και ότι ορισμένες μικρές αλλαγές που εφαρμόζονται στις διαδικασίες επιλογής κόμβου και δρομολόγησης, προκειμένου να αντιμετωπισθούν τα εγγενή μειονεκτήματα των δικτύων αυτών με ένα αποτελεσματικό εργαλείο, μόνο αυτή τη φορά στο φυσικό στρώμα. Στόχος μας είναι να αναλύσουμε μια νέα τεχνική για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί που απορρέουν από κόμβους αισθητήρων. Επιχειρούμε επίσης έρευνα σε σχεδιαστικούς περιορισμούς που αφορούν την προώθηση της χρήσης ορισμένων εργαλείων για την επίτευξη των κύριων στόχων μας. Η εμφάνιση των προσαρμοστικών συστημάτων, όπως οι έξυπνες κεραίες, μπορεί να ενισχύσει την απόδοση των ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με στόχο την ικανοποίηση της αυξανόμενης ζήτησης για ισχυρή υποδομές.
GIGER
Sticky Note
Near-Far Effect: http://en.wikipedia.org/wiki/Near-far_problem http://telecomfunda.com/forum/showthread.php?36338-CDMA-Systems-Definition-of-Near-Far-Problem-Its-Effects-and-Solution

and node activity, while section 4 considers energy consumption associated with the studied modes.Section 5 offers a performance comparison among smart-antenna modes with increased number ofbeams (5.1), or among WSNs with mixed smart and omnidirectional nodes (5.2). Finally, section 6concludes the paper.

2 WSN Model And Formulation

This section provides an overview of the proposed approach and the general framework upon whichsimulation is based, along with the principal assumptions associated with our modeling. Further-more, the basic mechanisms that define the network operation are introduced.

2.1 Network Setup

Smart antennas can substitute omnidirectional antennas at WSN nodes, as they can transmit withinthe total coverage area of an omnidirectional one, yet with a directional gain which depends on thebeam activated at each time-slot. This means that the relative angular position of the source -destination nodes pair will determine the beam which will be activated for each node, serving foreither transmissions or receptions. This way, a well-defined area with locally specified bounds isconsidered busy for each ongoing transmission and every node within this range is rendered incapableof transmitting data. In other words, the utilization of beams can actually reduce the interferenceand limit the collision areas to narrower sectors instead of full discs of the same radii, as in the caseof omnidirectional antennas. However, the gain will differ with angle, since it will generally dependon the actual angle between source - destination nodes.

Different network topologies are examined in this work, each one characterized by a differentnode density, node deployment mode and, essentially, the way nodes are linked. The latter isreflected by the adjacency matrix, which is essentially a record of the various node pairs within thenetwork that are within communication range with each other. The adjacency matrix is generatedas follows: For each pair of nodes, e.g n1 and n2, we compute the receiving power of the secondone (n2) with the first one considered to be the transmitting node. The receiving power is hereincalculated by the Friis Equation:

Prec = Pt ·G1 ·G2

L·(

λ

4 · π · d

)2

(2.1)

where:Prec: receiving powerPt: transmit powerG1: transmission gain of node n1

G2: receiving gain of node n2

L: propagation lossesλ: wavelength which equals 3×108

fd: distance between n1 and n2

At the receiver side, a power threshold determines whether it can successfully accept the trans-mitted signal, i.e. whether Prec > Prthres. In this case a directional link pointing from n1 to n2 isadded in the adjacency matrix, denoted by an 1 at the element [n1 , n2]. Otherwise, there is nodirect connection from n1 to n2, and this element of the adjacency matrix has a zero value.

Upon network simulation setup, we need to specify the value of the maximum gain of each beamwith respect to the omnidirectional gain so that the networks generated are comparable in terms

3

GIGER
Sticky Note
Το υπόλοιπο αυτής της εργασίας οργανώνεται ως εξής. Στο τμήμα 2 η προσομοίωση μοντέλο WSN είναι εγκατεστημένος, με την εγκατάσταση του δικτύου, ο τρόπος λειτουργίας του και τον βασικό μηχανισμό μετάδοσης. Τμήμα 3 αποδεικνύει την βελτιωμένη απόδοση του δικτύου αξιολογούνται από την άποψη του QoS, αποδοτικότητα και δραστηριότητα κόμβου, ενώ στο τμήμα 4, θεωρώντας την κατανάλωση ενέργειας που συνδέεται με τους τρόπους που μελετήθηκαν. Ενότητα 5 προσφέρει μια σύγκριση των επιδόσεων μεταξύ των τρόπων έξυπνης κεραίας με αύξηση του αριθμού των δοκών (5.1), ή ανάμεσα σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με μικτά έξυπνους και κατευθυντικούς κόμβους (5.2). Τέλος, το τμήμα 6 καταλήγει το χαρτί.
GIGER
Sticky Note
Αυτή η ενότητα παρέχει μια επισκόπηση της προτεινόμενης προσέγγισης και το γενικό πλαίσιο στο οποίο προσομοίωση βασίζεται, μαζί με τις κύριες παραδοχές που σχετίζονται με μοντελοποίηση μας. Επιπλέον, οι βασικοί μηχανισμοί που καθορίζουν τη λειτουργία του δικτύου εισήχθη.
GIGER
Sticky Note
Έξυπνες κεραίες μπορούν να υποκαταστήσουν κατευθυντική κεραίες στους κόμβους WSN, καθώς μπορούν να μεταδίδουν εντός της συνολικής περιοχής κάλυψης μιας ομοιοκατευθυντικής, αλλά με ένα κατευθυντικό κέρδος που εξαρτάται από την ακτίνα που ενεργοποιείται σε κάθε χρονοθυρίδα. Αυτό σημαίνει ότι η σχετική γωνιακή θέση της πηγής - προορισμού κόμβων θα καθορίσει την δέσμη η οποία θα ενεργοποιείται για κάθε κόμβο, που εξυπηρετούν είτε μεταδόσεις ή λήψεις. Με αυτό τον τρόπο, μια καλά καθορισμένη περιοχή με καθορισμένα τοπικά όρια θεωρείται απασχολημένος για κάθε συνεχή μετάδοση και κάθε κόμβος εντός αυτού του εύρους καθίσταται ανίκανος για μετάδοση δεδομένων. Με άλλα λόγια, η χρησιμοποίηση των δοκών μπορεί να μειώσει ουσιαστικά την παρεμβολή και να περιορίσει τις περιοχές σύγκρουσης σε στενότερα τομείς αντί των πλήρη δίσκων της ίδιας ακτίνας, όπως στην περίπτωση των ομοιοκατευθυντικών κεραιών. Ωστόσο, το κέρδος θα διαφέρει με τη γωνία, αφού θα εξαρτάται γενικά από την πραγματική γωνία μεταξύ της πηγής - κόμβων προορισμού.
GIGER
Sticky Note
διαφορετικές τοπολογίες δικτύου εξετάζονται στην παρούσα εργασία, το καθένα χαρακτηρίζεται από μια διαφορετική πυκνότητα κόμβων, τρόπο ανάπτυξης κόμβου και, κατ 'ουσίαν, ο τρόπος που συνδέονται οι κόμβοι μεταξύ τους. Το τελευταίο αντικατοπτρίζεται από την μήτρα γειτνίασης, η οποία είναι ουσιαστικά μια καταγραφή των διαφόρων ζευγών κόμβων εντός του δικτύου που βρίσκονται εντός εμβέλειας επικοινωνίας μεταξύ τους. Η μήτρα γειτνίασης δημιουργείται ως εξής: Για κάθε ζεύγος κόμβων, π.χ. Ν1 και Ν2, υπολογίζουμε την ισχύ λήψης της δεύτερης (Ν2) με το πρώτο θεωρείται ότι είναι ο κόμβος μεταδίδει. Η λήψη ισχύος υπολογίζεται στο παρόν με την εξίσωση Friis:
GIGER
Sticky Note
Prec: η ισχύς λήψης Pt: η ισχύς μετάδοσης G1: κέρδος μετάδοσης του κόμβου Ν1 G2: λήψη κέρδος του κόμβου n2 L: απώλειες διάδοσης λ: το μήκος κύματος, που ισούται με 3 * 10 ^ 8 / f d: απόσταση μεταξύ Ν1 και Ν2
GIGER
Sticky Note
Στην πλευρά του δέκτη, ένα όριο ισχύος προσδιορίζει αν μπορεί να δεχθεί με επιτυχία το μεταδιδόμενο σήμα, δηλαδή αν Prec> Prthres. Στην περίπτωση αυτή, μια κατευθυντική σύνδεση με κατεύθυνση από n1 σε n2 προστίθεται στη μήτρα γειτνίαση, που συμβολίζεται με 1 στο στοιχείο [n1, n2]. Αλλιώς, δεν υπάρχει άμεση σύνδεση από n1 σε n2, και αυτό το στοιχείο της μήτρας γειτνίασης έχει μια τιμή μηδέν.

1

2

3

4

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

G1

G2

G3

G4

(a) 4-beam Smart Antennas

1

2

3

4

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

(b) Omnidirectional Antennas

Fig. 1: Radiation Patterns: (a) and (b)

of link density1. We thus assume that the gain of omnidirectional antennas equals 3 dB, which isa popular gain for commercial ISM antennas, while the maximum value of each of the beams isapproximately doubled, which is a reasonable assumption for an array of 4 commercial elements[26][27] [28] . This means that Gi = 2 ∗ 100.3 = 4 or, equivalently, 6 dB. The radiation pattern of eachnode is shown in Fig. 1.

2.2 Network Operating Modes

In this section, we compare the different modes in which networks operate. First, we deploy a num-ber of nodes, e.g. N = 25, within a deployment area of size 50 x 50 m2, and build the adjacencymatrices for each operating mode (nodes are uniformly distributed in the deployment region). Weassume that the area is free of impediments, with propagation losses of 6 dB. Frequency is set at2.4 GHz, transmission rate is 1 Mbps while the receiver’s sensitivity approximates −100 dBm. Inaddition, we need to adjust the number of time-slots which will enable us to evaluate the perfor-mance of each network type on the same merit.

Omnidirectional Antennas Operating Mode: Nodes are devices equipped with omnidirec-tional antennas. In this mode, the gain of transmitter and receiver are equal to each other, i.e.G1 = G2; thus, every link becomes reciprocal.

Smart Antennas Operating Mode: Nodes are equipped with smart antennas. In this mode,G1 = G2. In order to compute Eq. (2.1), we need to find the angle between n1 and n2. Next, forthis angle, we find the beam that is going to be activated for each node, when n1 is the transmitterand n2 the receiver, so as to compute the transmitting and the receiving gain accordingly. Last, weexamine whether the receiving power is above or below the threshold (receiver’s sensitivity) and weeither add a link in the adjacency matrix or not.

The main difference between these two modes lies in the configuration of the collision areas, i.e.the sectors occupied by active transmissions. A model to calculate these areas will be provided later

1Link density also determines the Average Path Length(APL)[29], a parameter that partly defines a sensor network.It is the average number of hops between every node pair. The larger the APL, the greater the number of simulationsteps needed so that the results be highly regarded.

4

GIGER
Sticky Note
Μετά την εγκατάσταση προσομοίωσης δικτύου, πρέπει να καθορίσουμε την τιμή της μέγιστης απολαβής κάθε beam σε σχέση με το ομοιοκατευθυντικό κέρδος, έτσι ώστε τα δίκτυα που παράγονται είναι συγκρίσιμα ως προς την πυκνότητα σύνδεσης (=Πυκνότητα Σύνδεσης[Link density] καθορίζει επίσης το μέσο Μήκος διαδρομής (APL), μια παράμετρος που καθορίζει εν μέρει ένα δίκτυο αισθητήρων. Είναι ο μέσος αριθμός των hops μεταξύ κάθε ζεύγους κόμβων. Όσο μεγαλύτερη είναι η APL, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των βημάτων προσομοίωσης που απαιτούνται έτσι ώστε τα αποτελέσματα να είναι υψηλής εκτίμησης.). Έτσι υποθέτουμε ότι το κέρδος των ομοιοκατευθιντικών κεραιών ισούται 3 dB, η οποία είναι ένα δημοφιλές κέρδος για εμπορικές κεραίες ISM, ενώ η μέγιστη τιμή του καθενός από τα beams περίπου διπλασιάζεται, η οποία είναι μια λογική υπόθεση για μια σειρά από 4 εμπορικά στοιχεία. Αυτό σημαίνει ότι Gi = 2 * 10 ^ 0,3 = 4 ή, ισοδύναμα, 6 dB. Το διάγραμμα ακτινοβολίας του κάθε κόμβου φαίνεται στο Σχ. 1.
GIGER
Sticky Note
free of impediments = χωρίς εμπόδια merit = αξία
GIGER
Sticky Note
reciprocal = amoivaia
GIGER
Sticky Note
Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τρόπων έγκειται στη διαμόρφωση των περιοχών σύγκρουσης, δηλαδή οι τομείς που καταλαμβάνονται από τις ενεργούς μεταδόσεις.

n1 n2

R

(a) Omnidirectional Mode

R

n2n1

(b) 4-beam Smart Antennas

R

n1

n2

(c) 4-beam Smart Antennas

Fig. 2: Interference between active nodes

herein (sub-section 2.6).Fig. 2 shows the way nodes interfere with each other and form coverage areas while attempting

transmission. In Fig. 2(a), the common coverage area is defined as the intersection of the discs,while their union defines the blockage area, in which every other node is unable to transmit. Fig.2(b) shows the total coverage area during an ongoing transmission between nodes n1 and n2 whenthey use smart antennas and, consequently, only one of the four beams is activated. It becomes clearthat total interference is reduced significantly, a smaller number of nodes are blocked and more freespace becomes available for the nodes remaining inactive in the network. Fig. 2(c) shows a differentexample, where node n1 does not transmit towards n2, but instead it exchanges information withanother node within the sector covered by its activated beam (steered towards the left). Althoughthese two nodes are able to communicate with each other, they do not block each other whencommunicating with other nodes; this would not be the case in omnidirectional antennas mode.In Fig. 2(a), n2 remains always within the range of n1 and is thus excluded from transmitting oncondition that n1 is currently sending data to a third node.

2.3 Simulation Algorithm

Apart from the way nodes get connected in the network, we need to clarify how the procedure takesplace. Consequently, at each time-slot:

1. For every single node, packet generation follows the Poisson distribution with parameter λ.Packets with the same identity number (id) comprise the same message, which has a uniquedestination, source, transmission time and success field (updated only if the packet reaches its

5

GIGER
Sticky Note
Στο σχήμα 2 φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο οι κόμβοι παρεμβάλλονται μεταξύ τους σχηματίζοντας περιοχές κάλυψης καθώς επιχειρούν να μεταδώσουν σήμα. Στο σχήμα 2α η κοινή περιοχή κάλυψης ορίζεται ως η τομή των δίσκων, ενώ η ένωση τους ορίζει τη περιοχή παρεμπόδισης στην οποία κάθε άλλος κόμβος δεν μπορεί να μεταδώσει. Το σχήμα 2β δείχνει τη συνολική περιοχή κάλυψης κατά τη διάρκεια μιας ενεργής μετάδοσης μεταξύ των κόμβων n1 και n2, όταν χρησιμοποιούνται ευφυείς κεραίες και κυρίως όταν μόνο ένα από τα τέσσερα beams είναι ενεργοποιημένο. Γίνεται ξεκάθαρο ότι η συνολική παρεμβολή μειώνεται σημαντικά, ένας μικρότερος αριθμός από κόμβους είναι μπλοκαρισμένοι και περισσότερος χώρος γίνεται διαθέσιμος για τους παραμένοντες ανενεργούς κόμβους του δικτύου. Το σχήμα 2c δείχνει ένα άλλο παράδειγμα όπου ο n1 δεν εκπέμπει στο n2 αλλά αντί αυτού ανταλλάσει πληροφορία με άλλο κόμβο μέσα στο τμήμα που ορίζεται από το ενεργοποιούμενο στοιχείο με κατεύθυνση προς τα αριστερά. Παρά το γεγονός ότι οι δύο κόμβοι είναι ικανοί να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, δεν μπλοκάρουν ο ένας τον άλλον όταν επικοινωνούν με άλλους κόμβους. κάτι το οποίο δεν θα μπορούσε να συμβεί με τις ομοιοκατευθυντικές κεραίες, γιατί στο σχήμα 2α ο n2 βρίσκεται πάντα μέσα στη περιοχή του n1 και γι αυτό δεν μπορεί να μεταδώσει σήμα σε περίπτωση που ο n1 στέλνει δεδομένα σε τρίτο κόμβο.
GIGER
Sticky Note
Πέρα του τρόπου με τον οποίο οι κλάδοι διασυνδέονται στο δίκτυο πρέπει να αποσαφηνίσουμε πως η διαδικασία πραγματοποιείται. Έτσι σε κάθε χρονοθυρίδα: 1.Για κάθε κόμβο η γέννηση πακέτων ακολουθεί τη κατανομή Poisson με παράμετρο λ. Πακέτα με τον ίδιο αριθμό ταυτότητας περιλαμβάνουν το ίδιο μήνυμα το οποίο έχει μοναδικό προορισμό, πηγή, χρόνο εκπομπής και πεδίο επιτυχίας που ενημερώνεται μόνο αν το πακέτο φτάσει το τελικό προορισμό του μέσα στο χρόνο προσομοίωσης

final destination within the simulation time). It is worth noting that a message might containmore than one packets as it represents the total amount of information generated at the sourceaiming at being delivered to the desired destination.

2. Each node that has data to send senses the wireless medium and attempts transmission in thecase where it is not blocked by another transmission. No priority scheme is set and transmittingnodes are selected randomly, as in a realistic case where nodes are not centrally controlled whentrying to sense the medium and initiate transmission.

3. The queues of each node are First-In-First-Out and thus the first packet is captured, and, afterdetermining its destination, the shortest path is computed according to Dijkstras algorithm[31].In the case where the next node in the path is busy the packet stays in the current node’s queueuntil it can be retransmitted; else, it is transmitted to the next node. By counting the averagenumber of hops (average path length) and the total time from source to destination, we caneasily calculate the average delay time at each intermediate node.

4. The pair of nodes that is currently exchanging data does not allow other nodes within the samerange to start transmitting. These nodes are disabled and cannot transmit at the same time-slot.

2.4 Definitions & Assumptions

A list of definitions and assumptions follows herein, in order to put the numerical results into theright context:

i. the number of the execution steps stands for the number of time-slots; we speed up convergenceby prohibiting packet generation from a pre-determined simulation step and onwards. However,the number of time-slots which is considered sufficient so as to reach a desirable steady stateand thus avoid overflows in node queues needs to be determined. After simulating the samenetwork for different parameter values, ranging from 100 to 5000 timeslots, we concluded thatthe fluctuations can be considered negligible since the results vary only slightly as the numberof time-slots increases, i.e. they practically stay unaffected. Hence, the number of time-slotsdoes not necessarily have to be too large in order for the results to be indicative of the networkperformance. Therefore, we set a moderate number of time-slots equal to 1000, since our aimis to check the efficiency of the network when it operates under normal circumstances as usual.Thus, we are able to compare the different operating modes and the improvements the networksare subject to due to the installment of smart antennas on the nodes.

ii. the nodes whose queue is not empty i.e. for which there is available information to be sent,attempt transmissions at most once during each time-slot. We assume that the MAC protocolused is CSMA/CA, which means that transmitters avoid transmission whenever they detectongoing traffic and keep the packets in their queue until the next time-slot. The collision areasare determined in the way previously described (the areas specified by the sectors of the pairof beams). When their queues are full, they drop the packets; this case is translated to packetloss (failure).

2.5 Basic Network Metrics And Parameters

In order to evaluate network performance we consider the following performance metrics:

• Quality Of Service (QoS): the number of packets whose transmission has commenced tothe total number of packets that have been generated (total network load).

6

GIGER
Sticky Note
Πρέπει να σημειωθεί ότι ένα μήνυμα μπορεί να περιλαμβάνει περισότερο από ένα πακέτα καθώς αντιπροσωπεύει τη συνολική ποσότητα πληροφορίας που γεννάται στη πηγή στοχεύοντας στη παράδοση του επιθυμητού προορισμού
GIGER
Sticky Note
2. Κάθε κόμβος που έχει δεδομένα να στείλει ανιχνέυει το ασύρματο μέσο και επιχειρεί μετάδωση στη περίπτωση που δεν μπλοκάρεται από άλλη μετάδοση. Δεν υπάρχει σειρά προτεραιότητας και οι εκπεμπόμενοι κόμβοι επιλέγονται τυχαία όπως σε ένα ρεαλιστικό σενάριο όπου οι κόμβοι δεν ελέγχονται όταν προσπαθούν να εντοπίσουν τη μέση και αρχική μετάδοση
GIGER
Sticky Note
Η σειρά του κάθε κόμβου είναι First-In-First-Out και έτσι το πρώτο πακέτο είναι δεσμευμένο και μετά την απόφαση του προορισμού του το κοντυνότερο μονοπάτι υπολογίζτεαι σύμφωνα με τον αλγόριθμο του Dijkstra. Στη περίπτωση που ο επόμενος κόμβος στο μονοπάτι είναι απασχολημένος το πακέτο μένει στη σειρά του κόμβου αυτού μέχρι να ξαναμεταδωθεί αλλιώς αποστέλεται στον επόμενο κόμβο. Με την καταμέτρηση του μέσου αριθμού των hops (μέσο μήκος διαδρομής) και του συνολικού χρόνου από την πηγή στον προορισμό, μπορούμε να υπολογίσουμε εύκολα τον μέσο χρόνο καθυστέρησης σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο.
GIGER
Sticky Note
Αυτή η παράγραφος μας περιγράφει ότι οι χρονοθυρίδες του δικτύου δεν επηράζουν την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων που σχετίζονται με την επίδοση του δικτύου Ο αριθμός των 1000 χρονοθυρίδων είναι ενδεικτικός και αξιόπιστος για την εξαγωγή ασφαλή αποτελεσμάτων σχετικά με την επίδοση του δικτύου
GIGER
Sticky Note
Εδώ περιγράφεται πότε το πακέτο χάνεται. Δηλαδή αν υπάρχει διαθέσιμη πληροφορία να σταλεί σε κόμβο που δεν είναι άδειος θα επιχειρηθεί να σταλεί το πολύ μια φορά πληροφορία σε κάθε χρονοθυρίδα. Αν το MAC πρωτόκολλο είναι CSMA/CA που σημαίνει ότι οι πομποί αποφεύγουν μετάδοση όταν υπάρχει κυκλοφορία κρατάνε τη πληροφορία μέχρι να σταλεί στην επόμενη χρονοθυρίδα. Οι περιοχές σύγκρουσης είναι αυτές που περιγράψαμε. To CSMA/CA έχει σαν παράμετρο το matrix.
GIGER
Sticky Note
ο αριθμός των βημάτων εκτέλεσης αντιστοιχεί στον αριθμό των χρονοθυρίδων, έχουμε επιτάχυνση της σύγκλισης με την απαγόρευση δημιουργίας πακέτων δεδομένων από ένα προκαθορισμένο βήμα προσομοίωσης και μετά. Ωστόσο, ο αριθμός των χρονοθυρίδων που θεωρείται επαρκής έτσι ώστε να επιτευχθεί μια επιθυμητή σταθερή κατάσταση και έτσι να αποφύγουν υπερχειλίσεις σε ουρές κόμβος πρέπει να καθοριστεί. Μετά την προσομοίωση του ίδιο δίκτυου για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων, που κυμαίνονται 100-5000 χρονοθυρίδες, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι οι διακυμάνσεις μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες δεδομένου ότι τα αποτελέσματα διαφέρουν μόνο ελαφρά καθώς ο αριθμός των χρονοθυρίδων αυξάνεται, δηλαδή πρακτικά παραμένουν ανεπηρέαστες. Ως εκ τούτου, ο αριθμός των χρονοθυρίδων δεν πρέπει απαραίτητα να είναι πολύ μεγάλος ώστε τα αποτελέσματα να είναι ενδεικτικά της απόδοσης του δικτύου. Ως εκ τούτου, έχουμε θέσει ένα μέτριο αριθμό των χρονοθυρίδων ίσο με 1000, αφού σκοπός μας είναι να ελέγξουμε την αποτελεσματικότητα του δικτύου όταν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες, ως συνήθως. Έτσι, είμαστε σε θέση να συγκρίνουμε τις διάφορες καταστάσεις λειτουργίας και τις βελτιώσεις που παρουσιάζουν τα δίκτυα με την εγκατάσταση των έξυπνων κεραιών στους κόμβους.
GIGER
Sticky Note
οι κόμβοι των οποίων η ουρά δεν είναι άδεια, δηλαδή για το οποίο υπάρχουν διαθέσιμες πληροφορίες που πρέπει να αποσταλλούν, προσπαθούν να μεταδώσουν το πολύ μία φορά κατά τη διάρκεια κάθε χρονοθυρίδας. Υποθέτουμε ότι το MAC πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται είναι το CSMA / CA, πράγμα που σημαίνει ότι οι πομποί αποφεύγουν να μεταδώσουν όποτε διαπιστώνουν συνεχή κίνηση και κρατάνε τα πακέτα στην ουρά τους μέχρι την επόμενη χρονοθυρίδα. Οι περιοχές σύγκρουσης προσδιορίζονται με τον τρόπο που περιγράφηκε προηγουμένως (οι περιοχές που ορίζονται από τους τομείς του ζεύγους των beams). Όταν οι ουρές τους είναι πλήρης, πέφτουν τα πακέτα, η υπόθεση αυτή μεταφράζεται σε απώλεια πακέτων (αποτυχία)[packet loss].
GIGER
Sticky Note
Το ζέυγος των κόμβων που ανταλλάσουν πληροφορία δεν επιτρέπει άλλους κόμβους στην ίδια περιοχή να αρχίσουν να εκπέμπουν, Αυτοί οι κόμβοι απενεργοποιούνται και δεν μπορούν να εκπέμψουν στην ίδια χρονοθυρίδα
GIGER
Sticky Note
Εδώ εξηγούνται μεγέθη που μας βοηθούν να αποτιμήσουμε την επίδοση ενός δικτύου
GIGER
Sticky Note
QoS: αριθμός εκπεμπόμενων πακέτων/συνολικός αριθμός πακέτων όλου του δικτύου
GIGER
Sticky Note
Το QoS είναι υψηλό όταν το traffic στο network είναι χαμηλό. Άρα, όσο πιο μεγάλο density του δικτύου τόσο πέφτει το QoS.

• Efficiency: the number of messages successfully delivered from source to destination to thetotal network load generated throughout the simulation.

• Percentage of Active Nodes, A(%): the average number of nodes allowed to transmitwithin the same time-slot without being blocked due to interference caused by ongoing networktraffic. A small percentage of active nodes correspond to more collisions, which reducesnetwork efficiency.

We consider the above metrics with respect to a set of parameters, which are the following:

◃ Node Density (nodes per sq.m)

◃ Poisson parameter λ

◃ Transmit Power Pt

As far as node density is concerned, it is - by definition - the number of nodes deployed withinthe network region to the total deployment area. Parameter λ determines the rate at which packetsare generated during each time-slot. We should take care of the maximum value this parameter cantake, given that if we let the number of packets increase arbitrarily and at a high rate, the resultswill not be representative of the network performance. Last, by transmit power, we refer to thetransmit power of each node, which goes for the whole network since we assume that the networkis homogeneous, i.e. each node displays identical features.

2.6 Collision Areas, Probability of Transmission & Energy Consumption

We now present a mathematical analysis of the collision areas and the transmission probabilitybased on the mechanisms described in section 2. In Table 1, An denotes the coverage area of noden. For instance, let as assume that we place one node every approximately 10 meters; the meandistance between each pair is then 10 meters. We could alternatively compute the maximum radius,R, using Friis Equation and setting Prec = Prthres. Assuming that R is known, we can calculatethe collision areas analytically. Defining the collision areas of node n1, n2 by An1 and An1 , as wellas the source - destination pairs common area by An1,n2, it can be easily deducted that on theomnidirectional mode it holds that An1 = An2 = πR2, i.e. An1 and An2 correspond to the areacovered by a full disk. Furthermore, their common coverage area, An1,n2 , has been calculated by

Wei et al. [32] and is given by 4 ·∫ R

d2

√R2 − x2 dx (see Table 1).

Regarding the Smart Antennas mode, the coverage areas are defined as the sectors covered byeach nodes transmission range and, therefore, are equal to one quarter of the area covered by fulldiscs in case there are four beams, i.e. 1

4πR2. As for the source - destination pairs common area,

it varies since it is a function of the actual angle between them. Here, we can make the assump-tion that the antennas are optimally oriented, hence the maximum value of their common area,An1,n2 , approximates the one in the previous case, i.e. 4 ·

∫ Rd2

√R2 − x2 dx, since this area is the

intersection between the radiation patterns of the pair of nodes, as they were presented in Fig. 1(a).

We estimate the probability of transmission for a single node. This incurs as the probability ofthe node being selected earlier than its neighbors, which means that it is not in a disabled statedue to ongoing transmissions.

2d denotes the distance between the node pairs [30]

7

GIGER
Sticky Note
Αποδοτικότητα: αριθμός πακέτων που έχουν μεταδοθεί επιτυχώς/συνολικό φορτίο δικτύου σε διάρκεια μιας προσομοίωσης
GIGER
Sticky Note
Ποσοστό ενεργών κόμβων: Mέσος αριθμός κόμβων που επιτρέπεται να μεταδώσουν μέσα στην ίδια χρονοθυρίδα χωρίς να μπλοκάρονται λόγω παρεμβολών που προκαλείται από τη κυκλοφορία του δικτύου
GIGER
Sticky Note
Οι προηγούμενοι όροι εκφράζονται καλύτερα σύμφωνα με τα παρακάτω ποσοτικά μεγέθη Πυκνότητα κόμβων δικτύου (Κόμβοι ανά τετραγωνικό μέτρο) Παράμετρος κατανομής poisson Μεταδιδόμενη ισχύς
GIGER
Sticky Note
Η πυκνότητα κόμβων είναι εξορισμού ο αριθμός των κόμβων που εξαπλώνονται στη περιοχή δικτύου προς το συνολικό εμβαδόν. Η παράμετρος λ εκφράζει το ρυθμό στον οποίο τα πακέτα δημιουργούνται σε κάθε χρονοθυρίδα. Πρέπει όμως να λάβουμε υπόψιν τη μέγιστη τιμή αυτής της παραμέτρου γιατί αν αφήσουμε τον αριθμό πακέτων να αυξηθούν σε αυθαίρετα μεγάλους ρυθμούς τα αποτελέσματα δεν θα είναι αντιπροσωπευτικά για την επίδοση του δικτύου. Τέλος για τη μεταδιδόμενη ισχύ αναφερόμαστε στη εκπεμπόμενη ισχύ κάθε κόμβου που αν το δίκτυο είναι ομοιογενές τότε η εκπεμπόμενη ισχύς θα χαρακτηρίζει όλο το δίκτυο. Ομοιογενές δίκτυο είναι αυτό στο οποίο κάθε κόμβος εμφανίζει πανομοιότυπα χαρακτηριστικά
GIGER
Sticky Note
To QoS περιμένουμε να είναι μεγαλύτερο (ποσοτικά) από το Efficiency.
GIGER
Sticky Note
Σε αυτή την ενότητα πραουσιάζεται μια στοιχειώδη μαθηματική ανάλυση που φαίνεται στο πίνακα της επόμενης σελίδας. Αν υποθέσουμε ότι κάθε ζεύγος κόμβων έχει απόσταση 10 μέτρων τότε η μέση απόσταση θα είναι 10 μέτρα. Θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε αυτή την απόσταση και με την εξίσωση του Friss θέτοντας όπου Prec=Pthres.
GIGER
Sticky Note
Άμα λοιπόν η απόσταση R είναι γνωστή τότε μπορούμε να υπολογίσουμε αναλυτικά τις περιοχές σύγκρουσης. Άμα θεωρήσουμε τις περιοχές σύγκρουσης των κόμβων n1 και n2 σαν An1 και An2 τότε για ομοιοκατευθυντικές κεραίες υπολογίζεται σύμφωνα με το εμβαδό του κύκλου
GIGER
Sticky Note
Για ομοιοκατευθυντικές κεραίες το σημείο τομής των περιοχών κάλυψης θα δίνεται από τον τύπο του Wei.
GIGER
Sticky Note
Όσον αφορά τις ευφυείς κεραίες, οι περιοχές κάλυψης δεν είναι όπως στις ομοιοκατευθυντικές αλλά περιορίζονται από στενά τμήματα που καλύπτονται από το εύρος μετάδοσης του κάθε κόμβου. Άμα παρατηρήσουμε τα δύο τελευταία σχήματα του table 1 βλέπουμε πως οι περιοχές κάλυψης είναι το 1/4 του κύκλοου άρα οι περιοχές κάλυψης θα έχουν εμβαδόν το 1/4 του εμβαδού του κύκλου
GIGER
Sticky Note
'Οσον αφορά την τομή των περιοχών κάλυψης αυτή δεν θα είναι ίδια με την αντίστοιχη περιοχή των ομοιοκατευθυντικών κεραιών γιατί η τομή των περιοχών κάλυψης είναι συνάρτηση της γωνίας που σχηματίζουν οι κόμβοι n1 και n2
GIGER
Sticky Note
Όμως αν οι ευφυείς κεραίες είναι βέλτιστα προσανατολισμένες, τότε η τομή των περιοχών κάλυψης θα δίνεται από την σχέση του Wei όπως και στη περίπτωση δηλαδή των ομοιοκατευθυντικών κεραιών.
GIGER
Sticky Note
Σε αυτό το σημείο θα γίνει μια προσπάθεια να ορίσουμε με στοχαστικό τρόπο τη πιθανότητα εκπομπής σήματος από ένα κόμβο. Αν σκεφτούμε λογικά αυτή την υπόθεση, τότε είναι η πιθανότητα του ενδεχομένου ο συγκεκριμένος κόμβος να έχει επιλεγεί νωρίτερα σε σχέση με τους γειτονικούς του, το οποίο σημαίνει πως δεν βρίσκεται σε ανενεργή κατάσταση εξαιτίας άλλων ενεργών εκπομπών

Table 1: Collision Areas Calculation

Collision Area = An1 +An2 −An1,n2

Mode An1 An2 An1,n2

Omnidirectional Antennas πR2 πR2 4 ·∫ R

d2

√R2 − x2 dx 2

4-beam Smart Antennas πR2

4πR2

4 varies

The transmit probability Pt of a single node i is yielded by Eq. (2.2):

Pt(i) = pn(i) · (1−n

N)nodeDegree(i,µ) (2.2)

Proof. Let p be the probability that a node i is the nth one to be selected within a specific timeslot,which is a random event, and thus pn(i) =

1N . The probability q that a node j has not yet been

selected within the same timeslot is one minus the union of the following possibilities: it wasselected 1st (let us define it as P1), 2

nd (P2), ..., or nth(Pn). These events are mutually exclusivesince, obviously, they do not occur simultaneously. This yields:

qn(j) = 1− (P1

∪P2

∪...∪

Pn)

= 1− (p1(j) + p2(j) + ...+ pn(j))

= 1− (1

N+

1

N+ ...+

1

N)

= 1− n

N

The probability that a node does not interfere with its neighbors, inducing that neither of theneighbors has been selected so far, is the intersection of the events that the neighbors have not yet

8

GIGER
Sticky Note
Αν θεωρήσουμε τα διαγράμματα ακτινοβολίας των ομοιοκατευθυντικών κεραιών ή των ευφυών κεραιών σαν διαγράμματα Venn τότε η περιοχή σύγκρουσης θα είναι όπως και στα διαγράμματα Venn ίση προς Περιοχή σύγκρουσης=An1+An2-An1*An2 όπου + = ένωση (λογικό OR) και * = τομή (λογικό AND)
GIGER
Sticky Note
Ομοιοκατευθυντικές κεραίες
GIGER
Sticky Note
Ευφυείς Κεραίες
GIGER
Sticky Note
Πιθανότητα μετάδοσης ενός κόμβου i. O τύπος αποδυκνείεται παρακάτω
GIGER
Sticky Note
Έστω ότι p είναι η πιθανότητα ένας i κόμβος να είναι ο ν-ιοστός που επιλέγεται εντός μιας χρονοθυρίδας, το οποίο είναι ένα τυχαίο γεγονός και έτσι pn(i)=1/N. Η πιθανότητα q ένας κόμβος j να μην έχει ακόμα επιλεγεί στην ίδια χρονοθυρίδα είναι 1 μείον την ένωση των πιθανοτήτων των ενδεχομένων ο κόμβος j να έχει επιλεγεί πρώτος (P1), να έχει επιλεγεί δεύτερος (P2) .... ή να έχει επιλεγεί ν-οστός. Αυτά τα ενδεχόμενα είναι ασυμβίβαστα, διότι σύμφωνα με την απλή λογική δεν μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα. Άρα η πιθανότητα να συμβούν ταυτόχρονα είναι μηδέν, δηλαδή είναι το κενό ενδεχόμενο. Η πιθανότητα που περιγράφουμε περιγράφεται από τη σχέση που βρίσκεται αριστερά

been selected. Those events are independent since the occurrence of one does not interfere with theothers i.e. their intersection comes as the product of the single probabilities.∩

all nodes j; lij ∈ E

qn(j) =∏

all nodes j; lij ∈ E

(1− n

N) = (1− n

N)nodeDegree(i,µ) (2.3)

Thus, the transmission probability for node i is defined as the combined probability that the nodeis selected nth (pn(i)) and is not blocked by neighboring nodes (Eq. (2.3))

Pt(i) = pn(i) · (1−n

N)nodeDegree(i,µ)

where nodeDegree(i, µ) is the degree of node i when the network operates on mode µ, with values0 and 1, holding for omnidirectional and smart antennas respectively. �

As for nodeDegree(i, µ), i.e. the number of nodes j|lij ∈ |E| where |E| is the set of the edgesof the graph, it is explicitly computed using spatial analysis, i.e. techniques based on analyticapproaches to study topological and geometric properties, since we have assumed uniformly dis-tributed nodes within the total coverage area. A uniform node distribution implies that since thenumber of nodes within the total region of L2 sq. m. is N , the number of nodes within an area ofA sq. m is expected to be A

L2 x N. Thus, the average node degree, i.e. a node’s neighbors, is easilycomputed when its coverage area is known. Considering this analysis in association with Table 1showing the area covered by a single node on the two different operating modes, it follows that:

nodeDegree(i, µ) = nodeDegree(µ) =

{πR2

L2 ·N = πR2ρ µ = 0πR2

4L2 ·N = 14πR

2ρ µ = 1(2.4)

The nominator is the coverage area of node i as described in Table 1 and has a fixed value regardlessof node i since we have assumed that nodes have equal transmit power and, therefore, the sametransmission range, R; this explains why we substitute nodeDegree(i, µ) with nodeDegree(µ). Wealso set N/L2 as node density, defined by ρ.

From Eq. (2.2), it is yielded that the higher the node degree, the smaller the possibility oftransmission. It also becomes evident that node degree depends exclusively on the µ parameter.This makes clear that the average node degree for the network is equal to each individual node’sdegree. Besides, the dependence of a node’s degree on the µ parameter indicates the superiority ofsmart antennas over omnidirectional ones. When smart antennas are used, node degree is modifiedwith respect to the activated beam; on the omnidirectional mode, node degree remains fixed andexhibits a fourfold increase compared to the Smart Antennas Mode, which is verified by Eq. (2.4).Each transmitting node induces the deactivation of its neighbors or, in other words, for every singlenode i, nodeDegree(µ) nodes are blocked. Defining the percentage of active nodes as A(%), it holdsthat A

100 ·N + A100 ·N · nodeDegree(µ) = N , i.e. the number of nodes equals the number of active

nodes and the number of the nodes blocked owing to active ones. Substituting the values for eachoperating mode, the Active Nodes Percentage is computed by Eq. (2.5).

A(%) =

{100

1+πR2ρµ = 0

1001+ 1

4πR2ρ

µ = 1(2.5)

Following the previous analysis, energy consumption can be estimated both for individual nodesand for the entire network, taking into account the percentage of active nodes, A(%), and theirtransmit power. More specifically, the percentage of active nodes multiplied by the average power

9

GIGER
Sticky Note
Η πιθανότητα ένας κόμβος να μην παρεμβάλλεται με τους γειτονικούς του, περιλαμβάνει και το γεγονός οι γειτονικοί κόμβοι να μην έχουν επιλεγεί μέχρι στιγμής και είναι η τομή των ενδεχομένων οι γειτονικοί κόμβοι να μην έχουν επιλεγεί ακόμη. Αυτά τα ενδεχόμενα είναι ανεξάρτητα από τη στιγμή που η εμφάνιση ενός ενδεχομένου δεν επηρεάζει την εμφάνιση των άλλων ενδεχομένων. Όπως γνωρίζουμε P(A*B)=P(A)*P(B) για ανεξάρτητα ενδεχόμενα. Άρα η πιθανότητα ένας κόμβος να μη παρεμβάλλεται με άλλους είναι το γινόμενο των πιθανοτήτων των ενδεχομένων να μην έχουν επιλεγεί οι γειτονικοί κόμβοι. Το αποτέλεσμα δίνεται από τη σχέση (2.3)
GIGER
Sticky Note
Ας μην μας φοβίζει η παράμετρος nodeDegree(i,μ). Eίναι μια παράμετρος η τιμή της οποίας καθορίζεται από το είδος του δικτύου δηλαδή αν είναι ομοιόμορφο ή μη ομοιόμορφο, το είδος των κεραιών που χαρακτηρίζουν τους κόμβους δηλαδή αν είναι ομοιοκατευθυντικές ή μη ομοιοκατευθυντικές
GIGER
Sticky Note
Διευκρινίζουμε πως αν οι κόμβοι είναι όλοι πανομοιότυποι τότε η τιμή i καθορίζει κάθε κόμβο και συνεπώς ολόκληρο το δίκτυο. Η παράμετρος μ παίρνει τη τιμή 0 αν οι κόμβοι απαρτίζονται από ομοιοκατευθυντικές κεραίες και παίρνει τη τιμή 1 αν οι κόμβοι απαρτίζονται από ευφυείς κεραίες
GIGER
Sticky Note
Έτσι η πιθανότητα μετάδοσης για τον κόμβο i ορίζεται ως η πιθανότητα να είναι ο ν-οστός που επιλέγεται ΚΑΙ να μην παρεμποδίζεται από γειτονικούς κόμβους. Τα δύο ενδεχόμενα είναι ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ μεταξύ τους και συνεπώς η πιθανότητα του ενδεχομένου που εξετάζουμε θα είναι το γινόμενο των πιθανοτήτων των αντίστοιχων ενδεχομένων που εξετάστηκαν. Η τελική μορφή της σχέσης που αναζητούμε φαίνεται στη σχέση που βρίσκεται στα αριστερά του συγκεκριμένου σχόλιου.
GIGER
Sticky Note
Όπως αναφέρουμε και προηγουμένως εδώ επεξηγείται η παράμετρος nodeDegree.
GIGER
Sticky Note
O υπολογισμός της παραμέτρου nodeDegree δεν είναι πάντα εύκολος και υπολογίζεται μέσω χωρικής ανάλυσης, δηλαδή τεχνικών βασιζόμενων σε αναλυτικές προσεγγίσεις για τη μελέτη τοπολογικών και γεωμετρικών ιδιοτήτων, από τη στιγμή που έχουμε υποθέσει ομοιόμορφα κατανεμημένους κόμβους μέσα σε μια συνολική περιοχή κάλυψης.
GIGER
Sticky Note
Μια ομοιόμορφη κατανομή κόμβων σημαίνει ότι από τη στιγμή που ο αριθμός των κόμβων σε μια συνολική περιοχή LxL m^2 είναι N, o αριθμός των κόμβων μέσα σε μια περιοχή A m^2 αναμένεται να είναι (Α/L^2)xN.
GIGER
Sticky Note
Έτσι η μέσος nodeDegree για παράδειγμα οι γείτονες ενός κόμβου μπορεί εύκολα να υπολογιστεί όταν η περιοχή κάλυψης είναι γνωστή. Λαμβάνοντας υπόψιν την ανάλυση αυτή και με τη βοήθεια του πίνακα 1 που δείχνει τη περιοχή που καλύπτεται από έναν απλό κόμβο σε δύο διαφορετικούς τρόπου λειτουργίας συμπεραίνουμε ότι θα δίνεται από τις σχέσεις που φαίνονται στη διπλανή δίκλαδη συνάρτηση
GIGER
Sticky Note
Ο αριθμητής και των δύο κλασμάτων είναι η περιοχή κάλυψης του κόμβου i όπως περιγράφεται από τον πίνακα 1 και έχει μια συγκεκριμένη τιμή ανεξάρτητα του κόμβου i από τη στιγμή που έχουμε υποθέσει ότι οι κόμβοι έχουν ίση μεταδιδόμενη ισχύ και επομένως την ίδια απόσταση μετάδοσης R. Aυτό εξηγεί το γιατί έχουμε αντικαταστήσει τον όρο nodeDegree(i,μ) με τον όρο nodeDegree(μ). Επίσης, θέτουμε τον όρο N/L^2 ως τη πυκνότητα κόμβων που συμβολίζεται ως ρ.
GIGER
Sticky Note
H εξίσωση 2.2 υπαινίσσει πως όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία κόμβων, τόσο μικρότερη είναι και η πιθανότητα μετάδοσης. Επίσης γίνεται εμφανές ότι η γωνία κόμβων εξαρτάται αποκλειστικά από τη μ παράμετρο. Αυτό καθιστά ξεκάθαρο το γεγονός ότι η μέση γωνία κόμβων για το δίκτυο είναι ίση με τη γωνία του κάθε μεμονομένου κόμβου. Άλλωστε, η εξάρτηση της γωνίας ενός κόμβου από τη μ παράμετρο υποδεικνύει την υπεροχή των ευφυών κεραιών έναντι των ομοιοκατευθυντικών. Όταν χρησιμοποιούνται οι ευφυείς κεραίες, η γωνία κόμβου τροποποιείται ανάλογα με το ενεργό στοιχείο. Ενώ στην ομοιοκατευθυντική λειτουργία, η γωνία των κόμβων παραμένει σταθερή και υπόκειται σε μια τετραπλή αύξηση σε σχέση με τις ευφυείς κεραίες όπως αποδεικνύει η σχέση (2.4). Κάθε κόμβος-πομπός απαιτεί ή προκαλεί αν θέλετε την απενεργοποίηση των γειτονικών του κόμβων ή με άλλα λόγια για κάθε απλό κόμβο i, nodeDegree(μ) κόμβοι μπλοκάρονται
GIGER
Sticky Note
Ορίζοντας το ποσοστό των ενεργών κόμβων σαν A(%), προκύπτει ότι (Α/100)*Ν + (Α/100)*Ν*nodeDegree(μ)=N. Δηλαδή ο αριθμός των κόμβων ισούται με τον αριθμό των ενεργών κόμβων και τον αριθμό των κόμβων που είναι μπλοκαρισμένοι εξαιτίας των ενεργών. Αντικαθιστώντας τις τιμές για κάθε τρόπο λειτουργίας το ποσοστό των ενεργών κόμβων υπολογίζεται από τη σχέση (2.5)
GIGER
Sticky Note
Το node density κάθε κόμβου ξεχωριστά είναι το μέσω node density όλων των κόμβων.
GIGER
Sticky Note
Το nodeDegree είναι ο αριθμός διασυνδέσεων ενός κόμβου με τους υπόλοιπους μέσα σε ένα εμβοδόν Α

corresponds to the energy consumed by active nodes. Assuming that the rest of the nodes remainidle, the corresponding energy consumption is given by the number of the idle nodes multiplied bythe idle state consumption rate. Representing the consumption rate by a(%) and the rate at whichenergy is depleted at the idle state by γ(%), it follows that at time step t it will hold that:

E(t) = A · E(t− 1) · a

100+ (1−A) · E(t− 1) · γ

100(2.6)

where E(t) and E(t − 1) correspond to the total available energy at time t and t − 1 respectively,while A denotes the number of Active Nodes.

2.7 Network Topology

Network topology and the way operating modes are differentiated may be better explained througha graphical example (Fig. 3). A network model and its state after adding the links is presented,first having nodes transmitting omnidirectionally (Fig. 3(a)) and then using smart antennas (Fig.3(b)). Their difference lies in the number of links added, making the nodes equipped with smartantennas able to communicate in greater distances, since the gain is higher towards every direction.This explains why the graph becomes denser, with regard to its set of edges, when it operates onthe Smart Antennas Mode.

0 10 20 30 40 50

50

(a) Omnidirectional Mode

0 10 20 30 40 5050

50

(b) Smart Antennas

Fig. 3: Network Topology

All numerical results presented in the following Sections have been calculated by averaging thecorresponding network metrics for a large number (more than 100) of random topologies like thoseshown in Fig. 3. This aids towards proving the validity of our conclusions and contributes to thesuccessful evaluation of the performance of both network operating modes.

3 Metrics Evaluation With Respect to Network Parameters

In this section, we present certain numerical results of the network simulation. Our analysis isperformed vs. node density and parameter λ, while taking into account the following system metrics:Quality of Service(QoS), Efficiency and Percentage of Active Nodes.

3.1 Node Density

Node density plays a vital role in network efficiency as it constitutes a determining factor for boththe collision areas and the shortest paths used in information dissemination. As node density

10

GIGER
Sticky Note
Ο τρόπος με τον οποίο η τοπολογία δικτύου και οι τρόποι λειτουργίας αλλάζουν μπορεί να εξηγηθεί καλύτερα μέσω ενός γραφικού παραδείγματος. Ένα μοντέλο δικτύου και η κατάσταση του μετά τη προσθήκη συνδέσεων παρουσιάζεται, πρώτα έχοντας κόμβους που εκπέμπουν ομοιοκατευθυντικά και μετά με χρήση ευφυών κεραιών. Η διαφορά τους έγγυται στον προστιθέμενο αριθμό συνδέσεων, καθιστώντας τους κόμβους που είναι εφοδιασμένοι με ευφυείς κεραίες ικανούς να επικοινωνήσουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις, από τη στιγμή που το κέρδος είναι υψηλότερο σε κάθε κατεύθυνση. Αυτό εξηγεί το γιατί το γράφημα γίνεται πυκνότερο, όσον αφορά τον αριθμό των άκρων του, όταν το δίκτυο περιέχει ευφυείς κεραίες.
GIGER
Sticky Note
Όλα τα αριθμητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται στις επόμενες παραγράφους έχουν εξαχθεί υπολογίζοντας το μέσο όρο των αντίστοιχων μετρικών δικτύου για ένα μεγάλο αριθμό (πάνω από 100) τυχαίων τοπολογιών, ώστε να είναι ακόμα μεγαλύτερη η εγγυρότητα των πορισμάτων μας. Αυτό συνεισφέρει στην επιτυχημένη εξαγωγή της επίδοσης και των δύο τρόπων λειτουργίας δικτύου.
GIGER
Sticky Note
Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζουμε συγκεκριμένα αριθμητικά αποτελέσματα από προσομοιώσεις δικτύου. Η ανάλυση μας είναι εκτελεσμένη συναρτήσει της πυκνότητας κόμβων και της παραμέτρου λ, έχοντας λάβει υπόψιν τις ακόλουθες μετρικές δικτύου: QoS, αποδοτικότητα και ποσοστό ενεργών κόμβων
GIGER
Sticky Note
Η πυκνότητα κόμβων παίζει σημαντικό ρόλο στην αποδοτικότητα δικτύου καθώς αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τις περιοχές σύγκρουσης και για τα συντομότερα μονοπάτια που χρησιμοποιούνται για τη διάδοση πληροφοριών
GIGER
Sticky Note
Ακολουθώντας τη προηγούμενη ανάλυση, η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να υπολογιστεί και για μεμονομένους κόμβους και για ολόκληρο το δίκτυο, λαμβάνοντας υπόψην το ποσοστό επί τις εκατό (%) των ενεργών κόμβων, Α(%) και τη μεταδιδόμενη ισχύ τους. Πιο συγκεκριμένα, το ποσοστό των ενεργών κόμβων πολλαπλασιασμένο με τη μέση ισχύ απαντά στην ενέργεια που καταναλώνεται από τους ενεργούς κόμβους. Υποθέτοντας ότι οι υπόλοιποι κόμβοι παραμένουν αδρανείς, η αντίστοιχη καταναλισκόμενη ενέργεια δίνεται από τον αριθμό των αδρανών κόμβων πολλαπλασιασμένο με τον ρυθμό κατανάλωσης αδρανούς κατάστασης. Αντιπροσωπεύοντας το ρυθμό κατανάλωσης με α(%) και το ρυθμό στο οποίο η ενέργεια λιγοστεύει με γ(%) ακολουθεί ότι μετά από χρόνο t η κατανάλωση ενέργειας θα δίνεται από τη σχέση (2.6)
GIGER
Sticky Note
Ε(t) και Ε(t-1) αντιστοιχούν στη συνολική διαθέσιμη ενέργεια σε χρόνο t και t-1 αντίστοιχα, καθώς το A δηλώνει τον αριθμό των ενεργών κόμβων.

0.005 0.01 0.015 0.02 0.0250

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Node Density

QoS

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(a) Quality Of Service

0.005 0.01 0.015 0.02 0.0250.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Node Density

Effi

cien

cy

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(b) Efficiency

0.005 0.01 0.015 0.02 0.02510

20

30

40

50

Node Density

Act

ive

Nod

es

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(c) Active Nodes

Fig. 4: Network performance with respect to Node Density.

increases, more nodes lie in the same sectors and are disabled due to ongoing transmissions. As willbe demonstrated by numerical results, sparse networks do not demonstrate significant improvementafter installing smart antennas while the opposite phenomenon is observed for denser networks.The collisions detected are fewer but as the network increases in size, the link density increases at ahigh rate, thus impeding successful transmissions without collisions. The problem gets worse whennodes use omnidirectional antennas.

Initially, we assume that the network covers a square region whose area equals 50 x 50 m2. Inthis area, we deploy a fixed number of nodes and, thus, we start from placing 1 node every 15meters, which corresponds to node density of 0.005 nodes per square meter. We then graduallyincrease the number of nodes deployed until there exists approximately one node every 6m (in thiscase density is 0.025). We show that the QoS is improved as the network becomes denser. Thisis mainly due to the lack of connectedness that appears in more sparse networks. However, thisparameter tends to converge to a constant value as node density rises over 0.015 nodes per squaremeter. The improvement of the QoS with smart antennas over omnidirectional is approximately20%, at almost every density value which is a considerable difference since more transmissions getactivated within the same time period.

Furthermore, we discuss how efficiency is influenced by node density. It is noteworthy that,

11

GIGER
Sticky Note
Καθώς η πυκνότητα κόμβων αυξάνεται περισσότεροι κόμβοι πέφτουν στα ίδια τμήματα και απενεργοποιούνται εξαιτίας ενεργών μεταδόσεων. Καθώς θα δειχθεί από ποσοτικά αποτελέσματα, τα αραιά δίκτυα δεν επιδεικνύουν σημαντικές βελτιώσεις μετά την προσθήκη ευφυών κεραιών, καθώς το αντίθετο συμβαίνει για πυκνότερα δίκτυα. Οι συγκρούσεις που ανιχνεύονται είναι λιγότερες, αλλά καθώς το δίκτυο αυξάνεται σε μέγεθος, η πυκνότητα των διασυνδέσεων αυξάνεται με υψηλό ρυθμό, εμποδίζοντας κατά συνέπεια τις επιτυχείς μεταδόσεις χωρίς συγκρούσεις. Το πρόβλημα επιδεινώνεται όταν οι κόμβοι αποτελούνται από ομοιοκατευθυντικές κεραίες.
GIGER
Sticky Note
Αρχικά, υποθέτουμε ότι το δίκτυο καλύπτει μια τετραγωνική περιοχή της οποίας το εμβαδόν ισούται με 50x50 m^2. Σε αυτή τη περιοχή απλώνουμε ένα σταθερό αριθμό από κόμβους και έτσι ξεκινάμε με το να τοποθετήσουμε 1 κόμβο κάθε 15 μέτρα το οποίο αντιστοιχεί σε πυκνότητα κόμβου 0.005 κόμβοι ανά τετραγψνικό μέτρο. Ακολούθως αυξάνουμε σταδιακά τον αριθμό των κόμβων που έχουν απλωθεί μέχρις ότου να υπάρχει προσσεγγιστικά 1 κόμβος κάθε 6m. (Δηλαδή πυκνότητα κόμβων 0.025). Δείχνουμε ότι το QoS βελτιώνεται καθώς το δίκτυο γίνεται πυκνότερο. Αυτό οφείλεται κυρίως στην έλλειψη συνεκτικότητας που εμφανίζεται σε πιο αραιά δίκτυα. Παρόλα αυτά αυτή η παράμετρος τείνει στο να συγκλίνει σε μια σταθερλη τιμή καθώς η πυκνότητα κόμβου φτάνει πάνω από 0.015 κόμβους ανά τετραγωνικό μέτρο. Η βελτίωση του QoS με ευφυείς κεραίες σε σχέση με τις ομοιοκατευθυντικές είναι περίπου 20%, σχεδόν για κάθε τιμή πυκνότητας που είναι μια σημαντική διαφορά από τη στιγμή που περισσότερες μεταδόσεις πραγματοποιούνται στα ίδια χρονικά πλαίσια.

when omnidirectional antennas are used, network’s efficiency drops both significantly and rapidlyas node density increases. Initially, as long as the network is sparse, the efficiency achieved is high.However, sparse networks - inducing low link density and, consecutively, low interference - are notwithin our areas of interest given that conventional WSNs need to be connected. By this, it ismeant that the phenomenon of the existence of isolated nodes has to be eliminated; this is securedfor density values above 0.015. On the other hand, networks using smart antennas diverge fromthis behavior, and show a tendency to keep efficiency rates at the same levels. In other words,they guarantee that most packets will be delivered to the destination successfully, mainly due todecreased interference levels.

Finally, there is a performance improvement regarding Active Nodes, as illustrated in Fig. 4(c),since the percentage of active nodes is always higher compared to the omnidirectional mode. Thisdifference ranges from 10 % and rises up to 20 % of the total number of nodes N ; this percentagecorresponds to 5-10 more active nodes when N = 50, 10-20 when N = 100 etc.

3.2 Parameter λ

Furthermore, the performance of each operating mode with respect to the Poisson parameter λ isexamined; the λ parameter essentially reflects the network’s traffic. A busy network, for example,where information flows continuously exhibits a large value of λ and tends to display an undesirablebehavior when queues overflow. On the other hand, networks in which information flows steadilyand at lower rates tend to provide a better quality of service and be far more efficient compared tothe previous case. Thus, we need to study the network performance under different network trafficconditions.

Fig. 5 demonstrates the way parameter λ affects the network performance for both operatingmodes. As this parameter increases, performance deteriorates for both operating modes, with SmartAntennas displaying a sharper decrease mainly due to the high values achieved when the informationis generated at lower rates. Nevertheless, smart-antenna WSN performance is improved with respectto omnidirectional WSNs in all cases. More specifically, the Quality Of Service and the efficiencytake the value ‘1’ as long as the network traffic remains low while they drop significantly as packetsare generated at higher rates.

Furthermore, as long as the percentage of active nodes is concerned, smart-antenna mode alwaysdelivers higher performance, which steadily increases with increasing values of the parameter λ. Thisis expected, since on the one hand, the interference levels increase on the omnidirectional mode sincealmost every node has packets to send, and most of them block the nodes they are connected with.Besides that, the high packet generation rate does not affect both modes at the same degree; thesmart-antenna mode is less affected in that more nodes are able to transmit due to the smallercoverage areas formed and the smaller number of nodes blocked. Also, the percentage of activenodes increases with parameter λ as expected; a node can be active only when it transmits data,which presupposes that packets have been generated within its queue. When λ is low, most nodequeues are empty and the ongoing activity is small. This attitude inverses as λ increases. We donot consider greater values (e.g. λ > 1) since in that case the queues do most likely overflow, thusnot allowing for fair evaluation of the operating modes.

4 Energy Consumption

This section is dedicated to one of the most important factors of WSNs. Energy consumptionplays a key role to the network operation and should be taken into consideration upon designingand manufacturing wireless nodes and sensors. On condition that every node has the same energy

12

GIGER
Sticky Note
Αξιοσημείωτο είναι το ότι η αποδοτικότητα του δικτύου πέφτει σημαντικά και γοργά καθώς η πυκνότητα των κόμβων αυξάνει. Αρχικά, όσο το δίκτυο είναι αραιό, η επιτευγμένη αποδοτικότητα είναι υψηλή. Όμως τα αραιά δίκτυα συμπεριλαμβανομένων της χαμηλής πυκνότητας συνδέσεων και κατά συνέπεια χαμηλών παρεμβολών δεν είναι στο πεδίο ενδιαφέροντος μας δοθέντος ότι συμβατικά WSNs χρειάζεται να συνδεθούν. Από αυτό συνεπάγεται ότι το φαινόμενης της ύπαρξης απομονωμένων κόμβων πρέπει να εξουδετερωθεί. Αυτό είναι διασφαλισμένο για τιμές πυκνότητας πάνω από 0.015. Από την άλλη μεριά, τα δίκτυα που χρησιμοποιούν ευφυείς κεραίες αποκλίνουν από αυτή τη συμπεριφορά και δείχνουν μια τάση να διατηρούν τον ρυθμό αποδοτικότητας στα ίδια επίπεδα. Με άλλα λόγια διασφαλίζουν ότι τα περισσότερα πακέτα θα παραδοθούν στον προορισμό τους επιτυχώς κυρίως στα μειωμένα επίπεδα παρεμβολών. Και τέλος υπάρχει μια βελτίωση στην επίδοση που αφορά τους ενεργούς κόμβους όπως φαίνεται στο σχήμα 4, από τη στιγμή που το ποσοστό των ενεργών κόμβων ελιναι πάντα υψηλότερο συγκρινόμενο με την ομοιοκατευθυντική λειτουργία. Η διαφορά κυμαίνεται από 10% και φτάνει στο 20% του συνολικού αριθμού κόμβων Ν. Αυτό το ποσοστό μεταφράζεται σε 5-10 περισσότερους κόμβους όταν N=50 και 10-20 όταν N=100 κοκ.
GIGER
Sticky Note
Η παράμετρος λ της κατανομής Poisson είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί αντανακλά την κυκλοφορία ενός δικτύου. Ενα απασχολημένο δίκτυο όπου η κυκλοφορία είναι συνεχής θα έχει υψηλή τιμή του λ και θα εμφανίζει ανεπιθύμητα αποτελέσματα όταν οι σειρές αναμονής υπερχειλίζουν. Από την άλλη δίκτυα στα οποία η πληροφορία ρέει αργά και σταθερά τείνουν να παρέχουν καλύτερο QoS και καλυτερη αποδοτικότητα σε σέση με πριν
GIGER
Sticky Note
Το σχήμα 5 επαληθεύει μια σφαιρική εικόνα που έχουμε για το QoS και την αποδοτικότητα ότι δηλαδή περιμένουμε το QoS να είναι πάντα λίγο μεγαλύτερο από την αποδοτικότητα για αντίστοιχες τιμές της παραμέτρου λ. Βλέπουμε ξεκάθαρα πως όσο αυξάνεται το λ η επίδοση επιδεινώνεται για κάθε τρόπο λειτουργίας με τις ευφυείς κεραίες να επιδεικνύουν πιο απότομη μείωση κυρίως λόγω του ότι υψηλότερες τιμές επιτυγχάνονται όταν η πληροφορία παράγεται σε χαμηλότερους ρυθμούς. Όμως σε όλες τις περιπτώσεις η επίδοση των smart-antenna WSN είναι βελτιωμένη σε σχέση με τα ομοιοκατευθυντικά WSN. Ας παρατηρήσουμε στα αμτίστοιχα γραφήματα ότι το QoS και η αποδοτικότητα παίρνουν τη τιμή 1 όσο η κυκλοφορία δικτύου παραμένει χαμηλή και πέφτουν σημαντικά όταν τα πακέτα δημιουργούνται σε υψηλότερες ταχύτητες.
GIGER
Sticky Note
Ακόμη, βλέπουμε πως το ποσοστό επί τοις εκατό των ενεργών κόμβων είναι υψηλότερο στη λειτουργία ευφυών κεραιών σε σχέση με την ομοιοκατευθυντική λειτουργία, το οποίο ποσοστό σταθερά αυξάνεται με την αύξηση της παραμέτρου λ. Αυτό είναι αναμενόμενο καθώς από τη μια μεριά τα επίπεδα παρεμβολών αυξάνονται στις ομοιοκατευθυντικές κεραίες από τη στιγμή που κάθε κόμβος έχει πακέτα να στείλει και οι περισσότεροι από αυτούς μπλοκάρουν τους κόμβους με τους οποίους είναι διασυνδεδεμένοι. Πέραν τούτου, η υψηλός ρυθμός γέννησης πακέτων δεν επηρεάζει και τους δύο τρόπους στον ίδιο βαθμό
GIGER
Sticky Note
Ο smart-antenna mode επηρεάζεται λιγότερο από το ότι περισσότεροι κόμβοι είναι ικανοί να εκπέμψουν χάρη στις μικρότερες περιοχές κάλυψης που σχηματίζουν και χάρη στο μικρότερο αριθμό κόμβων που μπλοκάρονται. Επίσησς το ποσσοτό των ενεργών κόμβων αυξάνεται με την αύξηση του λ. Ενας κόσμος μπορεί να είναι ενεργός μόνο όταν μεταδίδει δεδομένα το οποίο προυποθέτει ότι τα πακέτα έχουν εξαχθεί μέσα στην σειρά αναμονής. Όταν το λ είναι μικρό, οι περισσότερες σειρές αναμονής των κόμβων είναι κενές και η τρέχουσα δραστηριότητα είναι μικρή. Η θεώρηση αυτή αλλάζει όταν το λ αυξάνει. Δεν εξετάζουμε τιμές του λ μεγαλύτερες του 1 διότι οι σειρές αναμονής θα υπερχειλίσουν, μην επιτρέποντας έτσι τη δίκαιη αξιολόγηση των λειτουργούντων τρόπων

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

λ

Qo

S

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(a) Quality Of Service

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

λ

Eff

icie

ncy

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(b) Efficiency

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

20

λ

Act

ive

No

de

s

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(c) Active Nodes

Fig. 5: Network performance with respect to λ. Node Density = 1 node per 100 m2

capabilities, i.e. energy reservoirs, transmit power, energy depletion time, energy consumption rateetc., we can easily deduce that a decrease in the transmit power can affect all the rest energydeterminants. This decrease is herein achieved by increasing directionality via the use of smartantennas. Since the distances between each pair of nodes are known in advance, we can have thenodes adjust their transmit power accordingly. Thus, instead of increasing the number of linksof the networks produced by keeping the transmit power fixed, we modify our simulation plan byreducing the transmit power of nodes equipped with smart antennas. This approach is consideredto be more “fair when comparing smart antenna nodes with omnidirectional ones. Later in thissection we examine the possibility of adjusting the transmit power of each node with regard to theglobal threshold value. Despite this being a costly solution, it can improve network efficiency byreducing interference and energy consumption simultaneously.

Given that the transmit power for networks operating on the omnidirectional mode is fixed, westudy the behavior of networks with smart antennas and examine lower values of transmitting powerfor different network topologies. Hence, we can draw conclusions about the point where throughputsare equalized and the amount of energy saved after the evaluation period. Let us elaborate on Fig.6, where parameter a corresponds to a fraction of the initial transmit power, whose value is universalin the network (given that the network is considered a homogeneous one, every node having thesame transmit power capability). Transmit power on the omnidirectional mode is 10mW and the

13

GIGER
Sticky Note
Αυτό το τμήμα αφιερώνεται σε έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες WSNs. Η κατανάλωση ενέργειας διαδραματίζει έναν βασικό ρόλο στη λειτουργία δικτύων και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη επάνω στο σχεδιασμό και τη κατασκευή ασύρματων κόμβων και αισθητήρων. Με την προϋπόθεση ότι κάθε κόμβος έχει τις ίδιες ενεργειακές ικανότητες, δηλ. ενεργειακές δεξαμενές, μεταδιδόμενη ισχύ, χρόνο ενεργειακής εξάντλησης, ρυθμό κατανάλωσης ενέργειας κ.λπ., μπορούμε εύκολα να συμπεράνουμε ότι μια μείωση στη μεταδιδόμενη ισχύ μπορεί να επηρεάσει όλους τους υπόλοιπους ενεργειακούς παράγοντες. Αυτή η μείωση επιτυγχάνεται εν τω παρόντι αυξάνοντας τη κατευθυντικότητα μέσω της χρήσης ευφυών κεραιών. Δεδομένου ότι οι αποστάσεις μεταξύ κάθε ζεύγους κόμβων είναι γνωστές εκ των προτέρων, μπορούμε να κάνουμε τους κόμβους να ρυθμίσουν τη μεταδιδόμενη τους ισχύ αναλόγως. Κατά συνέπεια, αντί να αυξάνουμε τον αριθμό συνδέσεων από τα δίκτυα που παράγονται με την διατήρηση της μεταδιδόμενης ισχύος σε σταθερά επίπεδα, τροποποιούμε το σχέδιο της προσομοίωσής μας μειώνοντας τη μεταδιδόμενη ισχύ των κόμβων που είναι εξοπλισμένοι με ευφυείς κεραίες. Αυτή η προσέγγιση θεωρείται πιο δίκαιη όταν γίνεται σύγκριση κόμβων ευφυών κεραιών και κόμβων ομοιοκατευθυντικών κεραιών. Στη συνέχεια σε αυτή την ενότητα εξετάζουμε τη δυνατότητα ρύθμισης της μεταδιδόμενης ισχύος κάθε κόμβου σε σχέση με μια παγκοσμίως αποδεκτή τιμή κατωφλίου. Παρά το γεγονός ότι είναι μια δαπανηρή λύση, μπορεί να βελτιώσει την αποδοτικότητα δικτύων μειώνοντας τις παρεμβολές και τη κατανάλωση ενέργειας ταυτόχρονα.
GIGER
Sticky Note
Δοθέντος ότι η μεταδιδόμενη ισχύς για δίκτυα που λειτουργούν σε ομοιοκατευθυντική λειτουργία είναι σταθερή, μελετάμε τη συμπεριφορά δικτύων με ευφυείς κεραίες και εξετάζουμε χαμηλότερες τιμές μεταδιδόμενης ισχύος για διαφορετικές τοπολογίες δικτύων. Ως εκ τούτου, μπορούμε να σχηματίσουμε συμπεράσματα για το σημείο που η ικανότητα διαβίβασης δεδομένων είναι ίδια και για τα δυο δίκτυα και για το ποσοστό της ενέργειας που αποθηκεύεται μετά τη περίοδο αξιολόγησης. Ας στηριχτούμε στο σχήμα 6, όπου η παράμετρος α αντιπροσωπεύει ένα μικρό τμήμα της αρχικής μεταδιδόμενης ισχύος, της οποίας η τιμή είναι καθολική για το δίκτυο (από τη στιγμή που έχουμε θεωρήσει ομοιογενές δίκτυο, που σημαίνει ότι κάθε κόμβος έχει τις ίδιες ικανότητες μετάδοσης ισχύος)

Omni a = 100% a = 75% a = 50% a = 25%0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Q

oS

(a) Quality Of Service

Omni a = 100% a = 75% a = 50% a = 25%0

0.1

0.2

0.3

0.4

Eff

icie

ncy

(b) Efficiency

Omni a = 100% a = 75% a = 50% a = 25%0

10

20

30

40

50

Acti

ve N

od

es (

%)

(c) Active Nodes %

Fig. 6: Energy Consumption: Network performance with respect to Transmit Power

cases evaluated include networks using smart antennas with reduced power (ranging from 0.01Wwhere a = 100% to 0.0025W corresponding to a = 25%) reflected by the a parameter. As expected,the most efficient network corresponds to a = 100%. However, the point where the QoS with smartantenna nodes remains at the same levels compared to omnidirectional nodes, corresponds to amuch lower transmitting power, which equals the 75% of its initial (i.e. with omnidirectional nodes)value. This is somewhat expected, but the energy conservation is spectacular. Due to the highergains of each beam of the smart antennas, high transmit power leads to greater number of linksand therefore higher levels of interference. By reducing transmit power we achieve the following:

• The QoS is approximately equal to the level achieved when nodes transmit with the maximumpower. Thus, approximately the same number of packets are being serviced in the same timeperiod.

• The percentage of active nodes within the same time-slot is greater by almost 2% comparedto the case of a = 100% Pt and is almost doubled with reference to the omnidirectional mode.

• On the antipode, this network is not as efficient as the first one. Heavy traffic causes mostqueues to keep packets for longer time periods and this probably accounts for the lowerefficiency rates.

14

GIGER
Sticky Note
Η ισχύς εκπομπής για την όμοιοκατευθυντικη λειτουργία είναι 10mW και οι περιπτώσεις που αξιολογούνται περιλαμβάνουν δίκτυα με τη χρήση έξυπνων κεραιών με μειωμένη ισχύ (που κυμαίνονται από 0.01W όπου a = 100% για 0.0025W αντιστοιχεί σε α = 25%) αντανακλάται από την παράμετρο α. Όπως ήταν αναμενόμενο, το πιο αποτελεσματικό δίκτυο αντιστοιχεί σε α = 100%. Ωστόσο, το σημείο όπου το QoS με κόμβους ευφυής κεραιών παραμένει στα ίδια επίπεδα σε σύγκριση με τους ομοιοκατευθυντικούς κόμβους, αντιστοιχεί σε πολύ χαμηλότερη ισχύ εκπομπής, το οποίο ισούται με το 75% της αρχικής (δηλαδή με ομοιοκατευθυντικούς κόμβους) αξίας της. Αυτό είναι κάπως αναμενόμενο, αλλά η εξοικονόμηση ενέργειας είναι θεαματική. Λόγω των υψηλότερων κερδών του κάθε beam των έξυπνων κεραιών, υψηλή ισχύς εκπομπής οδηγεί σε μεγαλύτερο αριθμό συνδέσεων και κατά συνέπεια υψηλότερες στάθμες παρεμβολής.
GIGER
Sticky Note
Μειώνοντας τη μεταδιδόμενη ισχύ: ---Το QoS είναι προσεγγιστικά ίδιο με το επίπεδο που επιτυγχάνεται όταν οι κόμβοι μεταδίδουν στη μέγιστη ισχύ. Έτσι, προσεγγιστικά ο ίδιος αριθμός πακέτων αποστέλλονται στην ίδια χρονική περίοδο. ---Το ποσοστό των ενεργών κόμβων μέσα στην ίδια χρονοθυρίδα είναι μεγαλύτερο κατά περίπου 2% σε σχέση με την περίπτωση όπου το α είναι 100% του Pt και είναι περίπου διπλάσιο με σημείο αναφοράς την ομοιοκατευθυντική λειτουργία. ---Από την άλλη μεριά το δίκτυο δεν είναι τόσο αποδοτικό όσο ήταν πρώτα. Βαριά κυκλοφορία μπορεί να προκαλέσει τις περισσότερες σειρές αναμονής να κρατάνε πακέτα για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα και σε αυτό οφείλονται οι χαμηλότεροι ρυθμοί αποδοτικότητας.

0 10 20 30 40 500

0.5

1

1.5

2x 10

−3

Node Distribution

Tran

smit

Pow

er (W

)

(a) Node Distribution: Transmit Power

0 0.01 0.02 0.03 0.04−32.5

−32

−31.5

−31

−30.5

−30

Node Density

Tra

nsm

it P

ower

(dB

)

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas

(b) Average Transmit Power to Node Density

Fig. 7: Transmit Power

The procedure followed in this section differs from previous approaches. In this endeavor, ourobjective is to keep the number of links unaffected (|E| set of the graph). Although we build theadjacency matrix in exactly the same way, we modify the transmit power for each individual node todetermine the minimum power required for the transmission between each adjacent node pair to besuccessful. This power value is considerably lower compared to the one used with omnidirectionalantennas. For instance, a packet is received under −70dB while the threshold set by the receiverequals −100dB; the node transmitting could save valuable energy (approximately 10 − 15dBs inthis case) by reducing its transmit power. Modifying the transmit power is allowed only if alltransmissions for this node can be carried out successfully after this modification, which is ensuredby setting transmit power equal to the minimum power required for every existing link of thenode(the complexity of this estimation is O(NodeDegree), as we need to consider every one-hopneighbor (NodeDegree) of the specific node and find the maximum required power required toestablish the link).

Then, we compare the necessary transmit power when antennas transmit omnidirectionally vs.the power required when nodes are equipped with smart antennas enabling them to transmit towardsdifferent directions contingent on the target for various node density values. We assume that thenetwork is a sparse sensor network deploying N = 50 nodes placed at a distance of approximately10 meters from their neighbors. More specifically, we intend to estimate the average transmit powerthat ensures connectedness for the network we examine; in this way, we can easily determine asuitable threshold value for the receiver’s sensitivity. Therefore, assuming that R = 10m, and aftersubstituting the values for Losses, gains, λ, etc., Eq. (2.1) yields:

Prec(dB) = 10 log

(Pt · 100.3 · 100.3

100.3·(

0.125

4 · π · 10

)2)

≃ −57 + Pt(dB) (4.1)

The transmit power is 1mW (−30dB) and the threshold is set accordingly i.e. −57 − 30 =−87dB. Fig. 7(a) is a characteristic example of a single network where each node has differenttransmit power, determined as explained above. This distribution was displayed by almost everynetwork of identical node density. Every node requires greater transmit power in the traditionaloperating mode which surpasses 40% of the power needed by smart antennas. This difference isclose to 2 dB, i.e. the gain difference between the modes.

Finally, two more diagrams are introduced; the first one (Fig. 7(a)) demonstrates the necessary

15

GIGER
Sticky Note
Η διαδικασία που ακολουθούμε σε αυτή την ενότητα διαφέρει σε σχέση με τις προηγούμενες προσεγγίσεις. Σε αυτή τη προσπάθεια, ο στόχος μας είναι να κρατήσουμε σταθερό τον αριθμό των διασυνδέσεων. Παρά το ότι χτίζουμε τη μήτρα γειτνίασης με τον ίδιο τρόπο, τροποποιούμε τη μεταδιδόμενη ισχύ για κάθε ξεχωριστό κόμβο ώστε να αποφασίσουμε την ελάχιστη ισχύ που απαιτείται για είναι επιτυχής η επικοινωνία μεταξύ κάθε γειτονικού ζεύγους κόμβου. Αυτή η τιμή ισχύος είναι αρκετά μικρότερη σε σύγκριση με την αντίστοιχη που συναντάται στις ομοιοκατευθυντικές κεραίες
GIGER
Sticky Note
Για παράδειγμα, ένα πακέτο μπορεί να αποσταλεί και κάτω από τα -70dB όσο το κατώφλι του δέκτη είναι ίσο με -100dB. O κόμβος που μεταδίδει θα μπορούσε να σώσει πολύτιμη ενέργεια (περίπου 10-15dB σε αυτή τη περίπτωση) μειώνοντας τη μεταδιδόμενη ισχύ.
GIGER
Sticky Note
Η τροποποίηση της μεταδιδόμενης ισχύος επιτρέπεται μόνο αν όλες οι εκπομπές για αυτό το κόμβο μπορούν να πραγματοποιηθούν επιτυχώς μετά από αυτή τη τροποποίηση, το οποίο διασφαλίζεται θέτοντας τη μεταδιδόμενη ισχύ ίση με την ελάχιστη ισχύ που απαιτείται για κάθε υπάρχουσα διασύνδεση του κόμβου. Δηλαδή, Pchanged=min(P1,P2,P3..Pn)(προκειμένου να υποστηριχθούν όλες οι μεταδόσεις και να μην προκαλέσουμε κάποια αδυναμία μετάδοσης άθελά μας)
GIGER
Sticky Note
Στη συνέχεια συγκρίνουμε την απαιτούμενη μεταδιδόμενη ισχύ όταν οι κεραίες εκπέμπουν ομοιοκατευθυντικά συναρτήσει της ισχύος που απαιτείται όταν οι κόμβοι είναι εφοδιασμένοι με ευφυείς κεραίες επιτρέποντας τους να μεταδώσουν σε διαφορετικές διευθύνσεις ανάλογα με το στόχο για διάφορες τιμές πυκνότητας κόμβων. Υποθέτουμε ότι το δίκτυο είναι ένα αραιό δίκτυο από κόμβους τοποθετώντας Ν = 50 κόμβους σε απόσταση περίπου 10 μέτρων από τους γείτονες τους. Πιο συγκεκριμένα, σκοπεύουμε να εκτιμήσουμε τη μέση μεταδιδόμενη ισχύ που εξασφαλίζει συνδεσιμότητα για το δίκτυο που μελετάμε. Με αυτό το τρόπο μπορούμε εύκολα να αποφασίσουμε μια κατάλληλη τιμή κατωφλίου για την ευαισθησία του δέκτη.
GIGER
Sticky Note
Η ισχύς εκπομπής είναι 1mW (-30dB) και το όριο καθορίζεται ανάλογα δηλαδή -57 έως 30 = -87dB. Σχ. 7 (α) είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός ενιαίου δικτύου, όπου κάθε κόμβος έχει διαφορετική ισχύ μετάδοσης, που καθορίζεται όπως εξηγήθηκε παραπάνω. Η κατανομή αυτή εμφανίστηκε σε σχεδόν κάθε δίκτυο με όμοια πυκνότητα κόμβου. Κάθε κόμβος απαιτεί μεγαλύτερη ισχύ εκπομπής με τον παραδοσιακό τρόπο λειτουργίας που ξεπερνά το 40% της ηλεκτρικής ενέργειας της ισχύος που απαιτείται από έξυπνες κεραίες. Αυτή η διαφορά είναι κοντά στα 2 dB, δηλαδή τη διαφορά κέρδους μεταξύ των τρόπων μεταφοράς.
GIGER
Sticky Note
Είτε μόνο για omni είτε μόνο για ευφυής
GIGER
Sticky Note
Δείχνει πως αλλάζει το Pmin για κάθε σύνολο κόμβων

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.0220

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Node Density

Qo

S

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas6−beam Smart Antennas

(a) Quality Of Service

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022

0.1

0.2

0.3

Node Density

Effic

ien

cy

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas6−beam Smart Antennas

(b) Efficiency

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.02210

20

30

40

50

Node Density

Active

No

de

s

Omnidirectional Antennas4−beam Smart Antennas6−beam Smart Antennas

(c) Active Nodes %

Fig. 8: Smart Antennas: Network performance with respect to Node Density

transmit power so that the signals are received with the minimum power required, while the secondone (Fig. 7(b)) illustrates the comparison of the mean transmit power with regard to node density.Omnidirectional antennas exhibit an average value close to the transmit power (−30dB) whilesmart antennas require less power to establish the same links in the network, with the percentageimprovement ranging from 15-30%.

5 Further Considerations

This section deals with further improvements and extensions of the previously discussed networkmodel with a view of assessing the contribution of two alternative approaches. Increasing thenumber of beams of the smart antennas constitutes the first approach, yet a costly one. The secondapproach (Hybrid Model), which lies in the idea of installing smart antennas exclusively on a smallnumber of the nodes, aims to bridge the gap between cost efficiency and performance enhancement.

16

GIGER
Sticky Note
Ουσιαστικά, αυτή η παράγραφος δείχνει ότι χρειάζεται μικρότερη ευαισθησία κάθε δέκτης, χρησιμοποιώντας ευφυής κεραίες έτσι προφανώς χρειαζόμαστε και μικρότερη ισχύ εκπομπής. Άρα συνολικά , στο δίκτυο χρειαζόμαστε πολύ μικρότερη ισχύς έναντι των omni. Κρατάμε σταθερό τον αριθμό των συνδέσεων και πειράζουμε την ισχύ.
GIGER
Sticky Note
Αυτή η παράγραφος ασχολείται με περαιτέρω βελτιώσεις και προεκτάσεις των προαναφερθέντων μοντέλων δικτύων με στόχο την αξιολόγιση της συμβολής των δύο εναλλακτικών προσεγγίσεων. Η πρώτη προσέγγιση είναι η αύξηση των στοιχείων των ευφυών κεραιών, είναι όμως κοστοβόρα. Η δεύτερη προσέγγιση (Υβριδικό μοντέλο), βασίζεται στην ιδέα της εγκατάστασης ευφυών κεραιών αποκλειστικά σε έναν μικρό αριθμό κόμβων και έχει απώτερο στόχο να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ κόστους αποδοτικότητας και την βελτίωση της επίδοσης

0.005 0.01 0.015 0.020

0.2

0.4

0.6

0.8

Node Density

Qo

S

p = 0p = 0.2p = 0.5

(a) Quality Of Service

0.005 0.01 0.015 0.020.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Node Density

Eff

icie

nc

y

p = 0p = 0.2p = 0.5

(b) Efficiency

0.005 0.01 0.015 0.0210

15

20

25

30

35

40

45

Node Density

Ac

tiv

e N

od

es

p = 0p = 0.2p = 0.5

(c) Active Nodes %

Fig. 9: Hybrid Model: Heterogenous Network performance with respect to Node Density

5.1 Multi-beam smart antennas

In this section, we discuss the benefits emerging from increasing the number of beams of the smartantennas used in WSNs. It is understood that an increase in the number of beams will accordinglyincrease the directionality of the links, yielding lower interference between the nodes-transmittersand, in turn, smaller number of “blocked” nodes, i.e. nodes within the collision areas of activetransmissions. In other words, when node n1 attempts transmission towards node n2, every nodewithin the area defined by the radiation pattern of each pair of nodes is rendered unable to transmitdata since it senses the medium and detects the ongoing information exchange. The state of thenode is altered only for as long as the current time-slot lasts, as it is now considered incapable ofinitiating transmission. However, it is able to receive data from neighboring nodes.

Computing the total area covered by active transmissions has shown that as the number of beamsis increased the network’s performance is enhanced - though not proportionately. This enhancementis evaluated by the parameters described in section 2. The results are shown in the following figureswhere the study has been carried out for a WSN of size 50 x 50 m2 with varying node density.

17

GIGER
Sticky Note
Σε αυτή την ενότητα μελετάμε τις ευεργετικές ιδιότητες που έχει για ένα δίκτυο η αύξηση των στοιχείων της κάθε ευφυούς κεραίας σε ένα WSN. Είναι σαφές ότι με την προσαύξηση των αριθμών των στοιχείων θα αυξηθεί και η κατευθυντικότητα των διασυνδέσεων, επιφέροντας χαμηλότερες παρεμβολές μεταξύ των κόμβων-πομπών και με τη σειρά τους μικρότερο αριθμό μπλοκαρισμένων κόμβων για παράδειγμα κόμβους μέσα στη περιοχή σύγκρουσης των ενεργών μεταδώσεων. Με άλλα λόγια όταν ο κόμβος n1 επιχειρεί μετάδοση στον κόμβο n2 κάθε κόμβος μέσα στη περιοχή που ορίζεται από το διάγραμμα ακτινοβολίας κάθε ζεύγους κόμβων καθίστασται ανίκανο να μεταδώσει δεδομένα από τη στιγμή που ανιχενύει ενεργή ανταλλαγή πληροφορίας. Η κατάσταση του κόμβου αλλάζει μόνο για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η χρονοθυρίδα, καθώς τώρα θεωρείται ανίκανος να ξεκινήσει μετάδωση. Μπορεί όμως να δεχτεί πληροφορία από γειτονικούς κόμβους
GIGER
Sticky Note
Υπολογισμοί της συνολικής περιοχής που καλύπτεται από ενεργές μεταδώσεις έχουν δείξει ότι όσο αυξάνεται ο αριθμός των στοιχείων ενισχύεται η επίδοση του δικτύου. Και δικαιολογείται από τις παραμέτρους που εξηγήσαμε στη παράγραφο 2. Τα αποτελέσματα φαίνονται στις ακόλουθες εικόνες όπου η μελέτη πραγματοποιήθηκε για ένα WSN μεγέθους 50x50 sq.m για διάφορες πυκνότητες κόμβων.

5.2 Hybrid model

In this section, we consider a heterogeneous network, i.e a network consisting of nodes with differ-ent characteristics, some with fewer capabilities and lower cost and others with better features andhigher cost respectively. This means that we build an adjacency matrix with a slightly differentmethod, so as to include both nodes with omnidirectional antennas and nodes with smart anten-nas. To attain this, each node is selected with probability p and is supplied with smart antennas;consequently, its capabilities are modified. Finally, a heterogeneous network which lies between thetwo types of networks studied in section 2 is produced.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.2

0.4

0.6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 120

25

30

35

40

p

Act

ive

Nod

es

QoSEfficiency

Fig. 10: Hybrid Model: Heterogenous Network performance with respect to p. Parameter p stands for thepercentage of nodes equipped with smart antennas.

The purpose of the hybrid approach is to trade-off WSN deployment and operating cost vs. per-formance, as there will be few expensive nodes with higher power resources while the majority of therest will be common ones operating on the simplest mode, thus being less power consuming. Later,we present the figures for three network structures, the ‘plain one’ - which points to homogeneity-and two ‘hybrid’ models built from nodes with different features (here probability p denotes thepercentage of the nodes that operate with 4-beam smart antennas). For instance, p = 0.20 meansthat approximately 20 % of the nodes are equipped with smart antennas. The same explanationstands for p = 0.50. For the same network types of size 50 x 50 m2 and equal density, we evaluateQoS, Efficiency and Percentage of Active Nodes as the number of nodes increases.

As shown in Fig. 9, network performance is enhanced; nevertheless, this improvement is notas significant as the previously studied network type. The model lies somewhere between theomnidirectional and the smart antennas mode for the parameter tested, i.e. node density. QoS,Efficiency and Percentage of Active Nodes all increase without, however, reaching the values of thesmart antennas mode studied in Section 3.1. Assuming, for instance, that node density is 0.01; inthis case, the classic approach provides an value of 60% for the QoS, 22% for the efficiency and40% for the Active Nodes Percentage metrics, while, the corresponding values in the hybrid modelof p = 0.50 are 40, 20 and 30%, respectively.

The comparison between different hybrid models reveals a small difference between hybrid net-works, although the improvement is noticeable compared to the plain network. From Fig. 10, itfollows that the improvement in QoS, efficiency and Active Nodes percentage is considerable evenfor a small number of smart antennas used, thus indicating that the proposed approach is valuableeven in a hybrid (and more cost-efficient) approach.

These results, together with a cost analysis of deploying smart antennas over WSNs, could be

18

GIGER
Sticky Note
Στην ενότητα αυτή, θεωρούμε ένα ετερογενές δίκτυο, δηλαδή ένα δίκτυο που αποτελείται από κόμβους με διαφορετικά χαρακτηριστικά, μερικά με λιγότερες δυνατότητες και χαμηλότερο κόστος και άλλους με καλύτερα χαρακτηριστικά και υψηλότερο κόστος, αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι χτίζουμε μια μήτρα γειτνίασης με μια ελαφρώς διαφορετική μέθοδο, έτσι ώστε να συμπεριλάβει τους κόμβους με ομοιοκατευθυντικές κεραίες και κόμβους με έξυπνες κεραίες. Για την επίτευξη αυτού, κάθε κόμβος επιλέγεται με πιθανότητα p και τροφοδοτείται με έξυπνες κεραίες, κατά συνέπεια, οι δυνατότητές του τροποποιούνται. Τέλος, ένα ετερογενές δίκτυο που βρίσκεται μεταξύ των δύο τύπων δικτύων που μελετήθηκαν στο τμήμα 2 παράγεται.
GIGER
Sticky Note
Ο σκοπός της υβριδικής προσέγγισης είναι το trade-off WSN της ανάπτυξης και του κόστος λειτουργίας vs. την επίδοση, καθώς θα υπάρχουν λίγοι ακριβοί κόμβοι με υψηλότερους πόρους ενέργειας, ενώ η πλειοψηφία του υπόλοιπου δικτύου θα είναι όμοια και θα λειτουργεί με πιο απλό τρόπο και έτσι θα καταναλώνει λιγότερη ισχύ. Αργότερα, παρουσιάζουμε τα γραφήματα για τρεις δομές του δικτύου, το «plain one» - η οποία επισημαίνει την ομοιογένεια και τα δύο μοντέλa «υβρίδιa» χτισμένα από κόμβους με διαφορετικά χαρακτηριστικά (εδώ η πιθανότητα p δηλώνει το ποσοστό των κόμβων που λειτουργούν με 4-beam έξυπνες κεραίες). Για παράδειγμα, ρ = 0,20 σημαίνει ότι περίπου το 20% των κόμβων είναι εξοπλισμένα με έξυπνες κεραίες. Η ίδια εξήγηση συμβολίζει ρ = 0,50. Για τους ίδιους τύπους δικτύου μεγέθους 50 x 50 m2 και ίση πυκνότητα, αξιολογούμε QoS, απόδοση και το ποσοστό των ενεργοί κόμβοι καθώς ο αριθμός των κόμβων αυξάνεται.
GIGER
Sticky Note
Η σύγκριση μεταξύ των διαφόρων υβριδικών μοντέλων αποκαλύπτει μια μικρή διαφορά μεταξύ υβριδικών δικτύων, αν και η βελτίωση είναι αισθητή σε σύγκριση με το απλό δίκτυο. Από το Σχ. 10, προκύπτει ότι η βελτίωση στην ποιότητα παρεχόμενων υπηρεσιών, την αποδοτικότητα και ενεργοί κόμβοι είναι σημαντική ακόμη και για ένα μικρό αριθμό των έξυπνων κεραιών που χρησιμοποιούνται, υποδεικνύοντας έτσι ότι η προτεινόμενη προσέγγιση είναι πολύτιμη ακόμη και σε ένα υβριδικό (και πιο αποδοτική) προσέγγιση.

used in order to estimate the optimal trade-off point between cost and performance and determinethe number of smart antennas that should be used in the network.

6 Conclusion

In this paper, it is proposed that WSN performance can be improved in terms of various metricsin the case where smart antennas are used in the network nodes. A simulator has been alsobuilt in order to numerically evaluate the proposed approach. Numerical results are presented,confirming our expectations, indicating that the performance of a WSN is significantly improvedwith respect to QoS, efficiency, active nodes percentage and energy consumption. WSNs equippedwith smart antennas demonstrate improved features even in the case where these antennas areinstalled only on a fraction of nodes (hybrid network model). It was impressive that the performanceof smart-antenna equipped WSNs is doubled with respect to omnidirectional-only, while increasingthe number of beams results in even higher performance. Furthermore, it was found that, in general,the performance of the network is independent of the network size, which guarantees scalability.

The proposed approach reveals the importance of incorporating smart antennas into wirelessnetwork systems, yielding desirable results without modifying the features which characterize anetwork as a WSN (self-organization, limited transmission range, highly clustered nodes). It hasbeen shown that smart antennas can be designed to fit a broader range of applications, catering forhigher efficiency and improved quality almost at no cost. Considering this alternative could opennew avenues in research, offering incentives for innovative ideas as well as further improvements andalterations in existing projects.

References

[1] Raghavendra, C.N., Sivalingham, K.M., and Znati, T., Wireless Sensor Networks, SpringerScience and Business Media Inc., New York, USA, 2004.

[2] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci, “Wireless sensor networks: asurvey”, Computer Networks Journal, pp. 393 - 422, 2002.

[3] Lewis, F.L., “Wireless Sensor Networks”, appears in: Smart Environments: Technologies, Pro-tocols and Applications, John Wiley and Sons, New York, USA, 2004.

[4] Callaway, E.H., Wireless Sensor Networks Architectures and Protocols, CRC Press, Boca Raton,FL, USA, 2004.

[5] R. Iyer, L. Kleinrock, “QoS Control for Sensor Networks”, IEEE International Conference onCommunications, vol. 1, pp. 517-521, 2003.

[6] J. Frolik, “QoS Control for Random Access Wireless Sensor Networks”, Proc. of the WirelessCommunications and Networking Conference, vol. 3, pp. 1522 - 1527, 2004.

[7] Q. Zhao and L. Tong, “QoS Specific Information Retrieval for Densely Deployed Sensor Net-work”, Proc. of 2003 Military Communications International Symposium, Boston, MA, Oct2003.

[8] I. Rhee, A. Warrier, M. Aia and J. MinZ, “Z-MAC: a Hybrid MAC for Wireless Sensor Net-works”, Technical Report, Department of Computer Science, North Carolina State University,April 2005.

19

GIGER
Sticky Note
Σε αυτή την επιστημονική δημοσίευση δείχθηκε ότι η επίδοση ενός WSN μπορεί να βελτιωθεί με τη βοήθεια διάφορων μετρικών συστημάτων σε περίπτωση όπου οι κόμβοι του δικτύου αποτελούνται από ευφυείς κεραίες. Μια προσομοίωση έχει επίσης πραγματοποιηθεί με στόχο να επαληθευτούν οι προτεινόμενες μας προσεγγίσεις. Τα αριθμητικά αποτελέσματα παρουσιάστηκαν επαληθεύοντας τις προσδοκίες μας, δείχνοντας ότι η επίδοση ενός WSN είναι σημαντικά βελτιωμένη σε σχέση με το QoS, την αποδοτικότητα, το ποσοστό ενεργών κόμβων και τη κατανάλωση ενέργειας. Τα WSN που είναι εφοδιασμένα με ευφυείς κεραίες δείχνουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά ακόμα και στη περίπτωση όπου αυτές οι κεραίες είναι εγκατεστημένες μόνο σε ένα μικρό τμήμα των κόμβων (υβριδικό μοντέλο). Είναι εντυπωσιακό το ότι η επίδοση των WSN εφοδιασμένων με ευφυείς κεραίες διπλασιάζεται σε σχέση πάντα με τις ομοιοκατευθυντικές, και μάλιστα αυξάνοντας τον αριθμό των στοιχείων οδηγούμαστε σε ακόμα υψηλότερες επιδόσεις. Παράλληλα βρέθηκε ότι, γενικά, η επίδοση του δικτύου είναι ανεξάρτητη του μεγέθους του δικτύου, γεγονός το οποίο εγγυάται εξελισιμότητα.
GIGER
Sticky Note
Η προτεινόμενη προσέγγιση αποκαλύπτει την σημαντικότητα της ενσωμάτωσης ευφυών κεραιών σε ασύρματα δίκτυα, παράγοντας τα επιθυμητά αποτελέσματα χωρίς να χρειαστεί να τροποποιήσουμε τα χαρακτηριστικά που καθιστούν ένα δίκτυο ως WSN (αυτο-οργάνωση, περιορισμένη περιοχή μετάδοσης, υψηλή συγκέντρωση κόμβων). Έχει δειχτεί ότι οι ευφυείς κεραίες μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να καλύπτουν ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών, ικανοποιώντας υψηλότερη αποτελεσματικότητα και βελτιωμένη ποιότητα χωρίς κόστος. Η εξέταση αυτής της εναλλακτικής λύσης θα μπορούσε να ανοίξει νέες λεωφόρους στην έρευνα, προσφέροντας κίνητρα για καινοτόμες ιδέες καθώς επίσης και περαιτέρω βελτιώσεις και αλλαγές σε υπάρχοντα προγράμματα.
GIGER
Sticky Note
Αν σε ένα hybrid χρησιμοποιήσουμε περισσότερες ευφυής κεραίες, τότε προφανώς αυξάνεται το QoS και τα active nodes κατά πολύ και το efficiency μένει σε ένα σταθερό επίπεδο,κατά κάποιο τρόπο. Επίσης, χρησιμοποιώντας όλο και περισσότερες ευφυής κεραίες σε ένα δίκτυο δεν παρουσιάζεται μεγάλη διαφορά, όπως είδαμε όταν αντικαταστήσαμε τις omni με τις ευφυής.

[9] A. Koubaa, M. Alves, E. Tovar, “i-GAME: An Implicit GTS Allocation Mechanism in IEEE802.15.4”, Euromicro Conference on Real-Time Systems, July 2006.

[10] E. Felemban, C. Lee, E. Ekici, “MMSPEED: Multipath Multi-SPEED Protocol for QoS Guar-antee of Reliability and Timeliness in Wireless Sensor Networks”, Mobile Computing IEEETransactions, vol. 5, pp. 738-754, June 2006.

[11] V. Srivastava and M. Motani, “Cross-layer design: a survey and the road ahead”, IEEE Com-munications Magazine, pp. 112 - 119, vol. 43, 2005.

[12] Wattenhofer, R., Li, L., Bahl, P., Wang, “Distributed Topology Control for Power EfficientOperation in Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks”, Proc. of the 20th Annual Joint Conf. ofthe IEEE Computer and Communications Societies, INFOCOM, 2001.

[13] P. Santi, “Topology Control in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks”, Wiley, Chichester 2005.

[14] M. Burkhart , P. von Rickenbach , R. Wattenhofer , A. Zollinger, “Does Topology Control Re-duce Interference?”, Proc. of 5th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networkingand Computing, MOBIHOC 2004, pp. 919, 2004.

[15] P. von Rickenbach, S. Schmid, R. Wattenhofer, and A. Zollinger, “A robust interference modelfor wireless ad hoc networks”, 5th Int. Workshop on Algorithms for Wireless, Mobile, Ad Hocand Sensor Networks (WMAN), Denver, CO, Apr. 2005.

[16] A.K. Sharma, N. Thakral, S.K. Udgata and A.K. Pujari, “Heuristics for Minimizing Interfer-ence in Sensor Networks”, ICDCN, pp. 49-54, 2009.

[17] H. Jang, “Applications of Geometric Algorithms to Reduce Interference in Wireless MeshNetwork”, International journal on applications of graph theory in wireless ad hoc networks andsensor networks (Graph Hoc), Vol.2, No.1, March 2010.

[18] J. Tang , G. Xue , W. Zhang, “Interference-aware topology control and QoS routing in multi-channel wireless mesh networks”, Proc. of the 6th ACM international symposium on Mobile adhoc networking and computing, 2005.

[19] Liberti, J.C., and Rappaport, T.S., “Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 andThird Generation CDMA Application”, Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey,1999.

[20] Lozano, A., Farrokhi, F.R., and Valenzuela, R.A., “Lifting the limits on high-speed wirelessdata access using antenna arrays”, IEEE Communications Magazine, Vol. 39, No. 9, pp. 156-162,September 2001.

[21] Winters, J.H., “Smart antennas for wireless systems”, IEEE Personal Communications, Vol.1,pp. 23-27, February 1998.

[22] Sklar, B., “Rayleigh fading channels in mobile digital communication systems Part I: Charac-terization”, IEEE Communications Magazine, Vol. , pp. 90-100, July 1997.

[23] Paulraj, A., Nabar, R., and Gore, D., “Introduction to Space-Time Wireless Communications”,Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2003.

20

[24] Stuber, G.L., Barry, J.R., McLaughlin, S.W., Li, Y.G., Ingram, M.A., Pratt, T.G., “BroadbandMIMO-OFDM wireless communications”, Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 2, pp. 271-294,February 2004.

[25] Bellofiore, S., Balanis, C.A., Foutz, J., and Spanias, A.S., “Smart-antenna systems for mobilecommunication networks Part 1: Overview and antenna design”, IEEE Antennas and Propaga-tion Magazine, Vol. 44, No. 3, pp. 145-154, June 2002.

[26] Mitilineos, S.A., and Capsalis, C.N., “A new, low-cost, switched beam and fully adaptiveantenna array for 2.4GHz ISM applications”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol. 55, No. 9, pp. 2502-2508, September 2007.

[27] Mitilineos, S.A., Mougiakos, K.S., and Thomopoulos, S.C.A., “Design and optimization ofESPAR antennas via impedance measurements and a genetic algorithm”, IEEE Antennas andPropagation Magazine, Vol. 51, No. 2, pp. 118-123, April 2009.

[28] Mitilineos, S.A., Thomopoulos, S.C.A., and Capsalis, C.N., “On array failure mitigation withrespect to probability of failure, using constant excitation coefficients and a genetic algorithm”,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 5, pp. 187-190, 2006.

[29] R. Albert and A-L. Barabasi, “Statistical mechanics of complex networks”, Department ofPhysics, University of Notre Dame, Reviews of Modern Physics, vol. 74, Jan. 2002.

[30] W. An, F. Shao and H. Meng, “The coverage-control optimization in sensor network subjectto sensing area”, Journal of Computers And Mathematics with Applications, vol. 57, pp 529 -539, 2009.

[31] Cormen, T. H., Leiserson, C. E., Rivest, R. L., Stein, C. (2001), “Section 24.3: Dijkstra’salgorithm”, Introduction to Algorithms (Second ed.), MIT Press and McGraw-Hill. pp.595601,ISBN0-262-03293-7.

[32] An W., Shao F-M., Meng H., “The coverage-control optimization in sensor network subject tosensing area”, Computers and Mathematics with Applications, vol. 57, pp. 529-539, 2009.

21