Event distortion based clustering algorithm for energy harvesting wireless sensor networks

Abstract

Wireless Sensor Network (WSN) is a set of inexpensive densely deployed wireless sensor nodes with limited functionalities and scarcity in energies, whose observations are forwarded or relayed by intermediate nodes to the Base Station (BS). In the networks with densely deployed nodes, the observations are likely to be highly correlated in the space domain. This type of correlation is referred as spatial correlation, which produces unfavorable redundant readings causing energy wasting. In this thesis, the main task is to reduce these nodes that have redundant readings by using a clustering algorithm called Event Based Clustering (EDC) algorithm. The clustering algorithm is based on exploiting the spatial correlation that is used to cluster the sensor nodes. Exploiting spatial correlation is proposed by using Vector Quantization (VQ) with respect to the distortion constraints. Furthermore, this algorithm is applied for energy harvesting sensor nodes. Also, the inessential sensor nodes that have correlated readings are reduced for improving the Energy-Efficacy (EE) with acceptable level of event signal reconstruction distortion at the sink node. After applying the EDC algorithm, the communication model is changed from single-hop model to two-hop (clustered-network) model. Hence, a theoretical framework of distortion function, i.e., accuracy level, for both single-hop and two-hop communication models is derived. Then, single-hop and two-hop communication models are compared in terms of achieved distortion level, number of alive nodes, and energy consumption for different sizes of event area. Finally, the effects of various harvested energy level on the clustered-network is studied with respect to the same terms.

Kablosuz Sensör Ağı (KSA), işlevsellikleri sınırlı, enerjileri az, pahalı olmayan, yoğun bir şekilde konuşlandırılmış kablosuz sensör düğümleri setidir. Sensör düğümlerinin gözlemleri, ara düğümler tarafından baz istasyonuna iletilir. Yoğun bir şekilde konuşlandırılmış düğümlerden oluşan ağlarda gözlemler büyük oranda ilintilidir. Uzaysal ilinti olarak adlandırılan bu tür ilintiler, gereksiz algılayıcı okumalarına neden olur ve dolayısıyla enerji israfına neden olur. Bu tez çalışmasında enerji toplayan sensör ağları için Olay Bozulmasına Dayalı Kümeleme (OBK) algoritması adı verilen bir kümeleme algoritması verilmektedir. OBK algoritması sensörler arasındaki uzaysal ilintiyi kullanarak gereksiz okumalara sebep olan düğümleri azaltmak sureti ile enerji tüketimini azaltmayı amaçlamaktadır. Uzaysal ilintinin kullanılması bozulma kısıtlamalarına göre Vektör Nicemleme (VN) ile gerçeklenmektedir. Sensörlerin baz istasyonuna yaptıkları iletişim için tek hop ve iki hop olmak üzere iki ayrı iletişim modeli düşünülerek bu modellerin her biri için iki ayrı olay bozulma fonksiyonu türetilmektedir. Baz istasyonu OBK algoritması ile türetilen bu bozulma fonksiyonlarını kullanarak ilintili okumalara sahip sensör düğümlerinin veri iletimini kontrol edebilmektedir. Bu kontrol sayesinde hangi sensörün iletim yapacağına karar verilerek belli bir olay bozulma kısıtlaması karşılanırken enerji-etkin iletişim de sağlanabilmektedir.