Energy efficiency, synchronization and power control for the implementation of cooperative communications in wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Haitao Wan
• Direction : Jean-François Diouris, Guillaume Andrieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - École polytechnique universitaire de Nantes Université

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synchronisation

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Allocation de puissance

Codes espace-temps distribués

Communications coopératives

Protocole de contrôle d'erreur

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'étudier la mise en œuvre à faible complexité et l'efficacité énergétique de systèmes coopératifs dans les réseaux de capteurs sans fil. La synchronisation temporelle est cruciale pour cette mise en œuvre. Nous proposons un schéma de synchronisation au niveau de la couche physique qui introduit une augmentation modérée de la complexité des calculs et de l'occupation mémoire. Le schéma proposé offre de bonnes performances en termes de taux d'erreur en présence d'une erreur initiale de synchronisation et est facile à implémenter au niveau des nœuds. Nous proposons également une stratégie d'allocation de puissance optimale pour les communications coopératives dans les réseaux de capteurs sans fil. Pour une contrainte de probalité d'erreur, elle contribue à réduire la puissance de transmission totale dans le cas d'un canal de Rayleigh. En outre, en l'absence de lien direct entre les nœuds source et de destination, nous proposons deux stratégies coopératives efficaces en énergie. Une démarche heuristique pour sélectionner les nœuds coopératifs et choisir la communication coopérative appropriée est proposée. Par ailleurs, nous analysons l'efficacité énergétique de trois protocoles de contrôle d'erreur dans les réseaux de capteurs sans fil, dans le cas d'un système SISO avec canal à bruit blanc additif gaussien pour les communications à courte distance et d'un système MISO avec canal Rayleigh pour les communications à longue distance. En fonction du taux de code, nous proposons des seuils sur le gain de codage permettant de rendre les protocoles de contrôle d'erreurs plus efficaces en énergie.

In this dissertation, we explore the energy efficiency and low complex implementation of cooperative schemes in wireless sensor networks. Considering the requirement on signal arrival time synchronization, we proposed a physical layer synchronization scheme for the distributed MISO cooperative communication in wireless sensor networks. The proposed scheme is adequate for the cooperative communication but introduces less complexity to the network design. It provides better BER performance in the existence of initial synchronization error. According to the simulation results, it is supposed to be practically implemented in the sensor nodes. Upon this assumption, optimal power allocation strategies for AF cooperative relaying scheme and distributed MISO cooperative scheme are proposed for cooperative communication in wireless sensor networks. With a given requirement on BER performance, they help to minimize the total transmit power in Rayleigh fading channel. Moreover, without direct link between the source and destination nodes, we proposed two energy efficient cooperative strategies to incorporate the AF cooperative relaying and distributed MISO cooperative schemes. A heuristic policy to select the cooperative nodes and choose the appropriate cooperative strategy is derived. Furthermore, we analyzed the energy efficiency of three error control protocols considering SISO AWGN for short distance communication and MISO Rayleigh fading for long distance communication. We proposed thresholds of the coding gain for various code rates to make the hybrid ARQ protocol more energy efficient.