Indoor wireless metering networks - A collection of algorithms enabling low power / low duty-cycle operations
Wireless Metering Networks (WMN), a special class of Wireless Sensor Networks (WSN), consisting of a large number of tiny inexpensive sensor nodes are a viable solution for many problems in the field of building automation especially if the expected lifetime of the network permits to synchronize the network maintenance with the schedule for routine maintenance of the building.
In order to meet the resulting energy constraints, the nodes have to operate according to an extremely low duty cycle schedule.
The existence of an energy efficient MAC Layer protocol, the adoption of a robust time synchronization mechanism and the implementation of effective network discovery and maintenance strategies are key elements for the success of a WMN project.
The main goal of this work was the development of a set of algorithms and protocols which enable the low energy / low power operation in the considered family of WMNs.
The development and validation of a propagation model reproducing the characteristics of the indoor radio environment was a necessary step in order to obtain appropriate instruments for the evaluation of the quality of the proposed solutions.
The author suggests a simple localized heuristic algorithm which permits the integration of all sensor nodes into a tree-like failure tolerant routing structure and also provides some basic continuous adaptation capabilities of the network structure.\\
A subsequent extension of the basic algorithm makes the network able of self healing.
An innovative approach to the solution of the synchronization problem based on a reformulation of the original problem into an estimation problem permitted the development of an efficient time synchronization mechanism.
This mechanism, which makes an opportunistic usage of the beacon signals generated by the MAC layer protocol, permits an effective reduction of the synchronization error between directly communicating nodes and, indirectly, introduces a global synchronization among all nodes.
All the proposed solutions have been developed for a specific network class. However, since the presence of a low duty cycle scheduling, the adoption of a beacon enabled MAC protocol and the presence of limited hardware resources are quite general assumptions, the author feels confident about the applicability of the proposed solution to a much wider spectrum of problems.
Die Bezeichnung Wireless Metering Network (WMN) identifiziert eine spezifische Klasse von drahtlosen Sensornetzwerken.
Solche Netze bestehen aus einer Vielzahl von kleinen, kostengünstigen batteriebetriebenen Knoten und bieten eine mögliche Lösung für unterschiedliche Aufgaben in der Gebäudeautomatisierung, vorausgesetzt dass die erwartete Lebensdauer des Netzes mindestens 10 Jahre betragt, um die Netzwerkwartung im selben Raster mit den Gebäudewartungsarbeiten planen zu können.
Die starken Energieeinschränkungen erfordern die Einführung von Energiesparmaßnahmen und insbesondere die Auswahl einer durch einen extrem geringen Arbeitszyklus charakterisierten Aktivierungsstrategie.
Schlüsselelemente für den Erfolg eines WMN-Projektes sind die Existenz eines energieeffizienten MAC-Protokolls, der Einsatz eines robusten Zeitsynchronisationsmechanismus und die Implementierung von effizienten Strategien für die Netzwerkinitialisierung und die Netzwerkwartung.
Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Algorithmen und Protokollen, mit denen der energieeffiziente Betrieb einer spezifischen Familie von WSN ermöglicht wird.
Die Entwicklung und die Validierung eines Ausbreitungsmodells für den Indoor-Funkkanal war ein erforderlicher Schritt, um die Untersuchung der entwickelten Verfahren zu ermöglichen.
Das erste im Rahmen des Projektes entstandene Ergebnis war ein heuristischer, robuster verteilter Algorithmus, der eine energieeffiziente Integration aller Sensorknoten und die Bildung einer robusten baumförmigen Routingstruktur ermöglicht.
Derselbe Algorithmus ermöglicht eine begrenzte Anpassung der Netzstruktur an die wechselnden Charakteristiken des Funkkanals.
Einfache Erweiterungen des ursprünglichen Algorithmus wurden hinzugefügt, um die Selbstheilungsfähigkeiten des Netzes zu verbessern.
Ein auf einer neuen Formulierung des Synchronisationsproblems basierendes Verfahren wurde entwickelt. Es gewährleistet eine energieeffiziente und robuste Zeitsynchronisation zwischen Nachbarnknoten und, indirekt, die Synchronisation aller Netzelemente.
Obwohl die vorgeschlagenen Lösungen für eine spezifische Netzkategorie entwickelt wurden,
ist der Autor überzeugt, dass sich die Lösungsansätze auf ein weites Spektrum von Problemen anwenden lassen.
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