Energy-efficient cooperative relay protocols for wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Le-Quang-Vinh Tran
• Direction : Olivier Sentieys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Codage

Réseaux de capteurs (technologie)

Consommation d'énergie

Mots clés libres

Efficacité énergétique

Relais coopératifs

Codes spatio-temporels distribués

Protocoles MAC

Résumé

Dans cette thèse, nous avons proposé un nouveau schéma de transmission basé sur l'échange de données entre relais (fDSTC). Via des simulations numériques et des analyses mathématiques, le protocole fDSTC est comparé en termes de taux d'erreur, de probabilité de coupure, de diversité et d'efficacité énergétique avec les schémas plus classiques de codes spatio-temporel distribués (cDSTC), en utilisant des relais non-régénératif (NR-relais) et des relais régénératif (R-relais). De plus, le protocole fDSTC est exploité dans un système multi-antennes et son efficacité énergétique est montrée en utilisant un modèle d'énergie typique largement utilisé dans la littérature, ainsi qu' un modèle réaliste basé sur la plate-forme de réseaux de capteurs PowWow. Bien que peu considéré dans la littérature sur les techniques de relais coopératifs , le protocole MAC a une grande influence sur la consommation d'énergie totale des réseaux. Cela conduit à une grande motivation pour concevoir un protocole MAC coopératif, MAC-RIC, en combinant les techniques d'échantillonnage de préambule et relais coopératifs. Les résultats analytiques confirment encore l'intérêt d'utiliser les techniques de relais coopératif, mais leur efficacité énergétique peut être affectée par les charges de trafic et la latence désirée.

In this thesis, a new cooperative transmission scheme based on the data exchange between relays (fDSTC) is proposed. Thorough comparisons of this fDSTC protocol and more classical distributed space-time codes (cDSTC) protocols in case of non-regenerative relays (NR-relays) and regenerative relays (R-relays) are considered in terms of error performance, outage probability, diversity order and energy consumption via both numerical simulations and mathematical analysis. In addition, the fDSTC protocol is applied to multi-antenna systems and shown to be more energy-efficient than the cDSTC protocol using either a typical energy model widely-used in the literature or a realistic energy model based on the PowWow platform. Besides, a mathematical analysis in terms of energy consumption is complementarily given to show how to choose the best cooperative models to prolong the lifetime of WSNs. As MAC protocols have a great influence on the total energy consumption of the networks, that leads to a big motivation to design a cooperative MAC protocol, RIC-MAC, by combining preamble sampling and cooperative relay techniques. The analytic results still confirm the interest of using cooperative relay techniques, but their energy efficiency may be affected by the MAC protocol design, the traffic loads of the networks and the desired latency.