Energy efficient communications in wireless sensor networks

ABSTRACT In recent years, the number of wireless sensor network deployments for real life applications has rapidly increased. As sensor nodes are generally battery-powered devices, the energy problem remains one of the major barrier somehow preventing the complete exploitation of this technology. The critical aspects to face concern how to reduce the energy consumption of nodes so that the network lifetime can be extended to reasonable times. In this work, we first break down the energy consumption for the components of a typical sensor node, and discuss the main directions to energy conservation in WSNs. Then, we present a systematic and comprehensive taxonomy of the energy conservation schemes, which are subsequently discussed in depth. The main focus of this thesis is primarily on duty cycling schemes which represent the most compatible technique for energy saving and we also focus on the data-driven approaches that can be used to improve the energy efficiency; then some experiments have been reviewed and discussed. Finally, we will review some communication protocols proposed for sensor networks.

Sommario Negli ultimi anni, il numero di implementazioni di rete di sensori wireless per applicazioni reali è rapidamente aumentato. I nodi sensori sono generalmente dispositivi alimentati a batteria e il problema energetico rimane uno dei principali ostacoli per lo sfruttamento completo di questa tecnologia. Gli aspetti critici in questo campo sono numerosi e ovviamente lo scopo è quello di ridurre il consumo di energia dei nodi in modo che la durata della rete possa essere estesa fino a tempi lunghi o almeno ragionevoli rispetto alle applicazioni tipiche. In questo lavoro abbiamo prima studiato le soluzioni esistenti per abbattere il consumo di energia nei componenti di un nodo sensore tipico, e abbiamo discusso le principali indicazioni per il risparmio energetico nelle reti radio di sensori (“wireless sensor networks” o WSN). Poi presentiamo una tassonomia sistematica e completa degli schemi di risparmio energetico, che vengono successivamente discussi in maggiore dettaglio. L'obiettivo principale di questa tesi è principalmente relativo alla discussione dei diversi sistemi di “duty cycle” e di accesso multiplo (MAC), che rappresentano alcune tra le tecniche più utilizzate per il risparmio energetico; abbiamo inoltre controllato anche approcci basati sui dati che possano essere utilizzati per migliorare l'efficienza energetica. Infine alcuni esperimenti presenti in letteratura sono stati esaminati e discussi.