Please use this identifier to cite or link to this item:
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17780
Title: | Analytical Models for Probabilistic Detection Coverage and Sink Connectivity in Wireless Sensor Networks |
Other Titles: | แบบการวิเคราะห์สำหรับพื้นที่ครอบคลุมทางความน่าจะเป็นของการตรวจจับและความสามารถในการเชื่อมต่อจุดรับข้อมูลในเครือข่ายเซนเซอร์ไร้สาย |
Authors: | Wiklom Teerapabkajorndet Pakpoom Hoyingcharoen Faculty of Engineering Electrical Engineering คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า |
Keywords: | Wireless sensor networks |
Issue Date: | 2020 |
Publisher: | Prince of Songkla University |
Abstract: | To efficiently employ WSNs, not only should the day-to-day operations of WNs be studied and properly engineered, pre-deployment planning and design for sensor placement have been and should be investigated as well. This dissertation derives two mathematical formulae. One mathematical expression is for the expected probabilistic detection coverage, and the other is for the expected degree of sink connectivity for any sensor node (SN) that cannot directly transmit to the sink. This dissertation assumes that the sensing model and the connectivity models are different. The sensing model is Gaussian-like and a function of distance away from the sensor node, while the connectivity model is a binary disk. The two mathematical models derived in this dissertation consider a scenario where a finite number of object-detecting sensors are independently and uniformly distributed at random in a finite 2-D rectangular plane of which a sink is located at the center. With consideration of border effects, the striking accuracy of the formulae was demonstrated by comparing the numerical results from the proposed mathematical models with results from MATLAB simulations of random SN placement in uniform manner in various scenarios. To be exact, the proposed model for the expected probabilistic detection coverage is accurate within about 2.5 percent of the simulation results, while the sink connectivity model, in pragmatic scenarios, is practically exactly the same as the simulation. To efficiently employ WSNs, not only should the day-to-day operations of WNs be studied and properly engineered, pre-deployment planning and design for sensor placement have been and should be investigated as well. This dissertation derives two mathematical formulae. One mathematical expression is for the expected probabilistic detection coverage, and the other is for the expected degree of sink connectivity for any sensor node (SN) that cannot directly transmit to the sink. This dissertation assumes that the sensing model and the connectivity models are different. The sensing model is Gaussian-like and a function of distance away from the sensor node, while the connectivity model is a binary disk. The two mathematical models derived in this dissertation consider a scenario where a finite number of object-detecting sensors are independently and uniformly distributed at random in a finite 2-D rectangular plane of which a sink is located at the center. With consideration of border effects, the striking accuracy of the formulae was demonstrated by comparing the numerical results from the proposed mathematical models with results from MATLAB simulations of random SN placement in uniform manner in various scenarios. To be exact, the proposed model for the expected probabilistic detection coverage is accurate within about 2.5 percent of the simulation results, while the sink connectivity model, in pragmatic scenarios, is practically exactly the same as the simulation. The work in this dissertation can be used to predict the levels of coverage and sink connectivity of random SN placements in uniform manner for a given number of deployed SNs and a given dimension of the 2-D deployment area (DA). It can determine values of related parameters for specific degrees of coverage and sink connectivity using graphs. It is apt for scalability in clustered square WSNs. The model for the expected probabilistic detection coverage is applicable for other sensing models which are functions of the distance between an SN and the object to be detected. When examining both coverage and connectivity together, the dissertation shows that the relationship between coverage and connectivity is not straightforward. Finally, the formulae can be utilized in planning uncoordinated node scheduling schemes, analyzing the fault tolerance of networks in which the sensor nodes independently and randomly die, and optimizing the deployment cost from different sets of a finite number of homogeneous Ns that are uniformly and randomly deployed. |
Abstract(Thai): | เพื่อที่จะใช้งานเครือข่ายเซนเซอร์ไร้สายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่เพียงแต่การ ปฏิบัติงานรายวันของเครือข่ายเซนเซอร์ไร้สาย ที่ควรได้รับการศึกษาและออกแบบทางด้านวิศวะที่เหมาะสม การวางแผนและออกแบบก่อนการวางเครือข่ายก็ได้รับการศึกษาและควรได้รับการ ค้นคว้าวิจัยด้วย วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ได้หาสมการคณิตศาสตร์ 2 สมการ สมการที่หนึ่งสำหรับการหาค่าการครอบคลุมทางความน่าจะเป็นของการตรวจจับโดยเฉลี่ย และอีกสมการนึงสำหรับจำนวนเส้นทางโดยเฉลี่ยที่เซนเซอร์ไร้สายใดๆที่ไม่สมารถการเชื่อมต่อจุดรับข้อมูลได้โดยตรง จะสามารถการเชื่อมต่อ จุดรับข้อมูลได้ วิทยานิพนธ์ฉบับนี้อยู่บนสมมติฐานว่ารูปแบบของการตรวจจับและรูปแบบของการ สื่อสารต่างกัน โดยรูปแบบของการตรวจจับจะคล้ายเกาเซี่ยน เป็นสมการของระยะทางระหว่างเซนเซอร์กับวัตถุที่จะตรวจจับ ในขณะที่รูปแบบของการสื่อสารเป็นวงกลมที่ภายในวงกลมสื่อสารได้แน่นอน 100 เปอร์เซ็นต์ โดย 2 สมการที่หาออกมาในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้พิจารณาสถานการณ์ทีมีจำนวนเซนเซอร์จำกัด เซนเซอร์ถูกวางแบบสุ่มด้วยความเป็นไปได้เท่ากันทุกจุด ในพื้นที่ 2 มิติขนาดจำกัด ที่เป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยมีจุดรับข้อมูลตั้งอยู่ตรงกลางของพื้นที่ เนื่องด้วยการพิจารณาจากผลของเซนเซอร์ที่ตั้งอยู่ใกล้ขอบของพื้นที่การวางเครือข่ายเซนเซอร์ไร้สาย สมการทั้ง 2 แม่นยำมากเมื่อเทียบกับผลการจำลองการวางเซนเซอร์ในโปรแกรมแมทแลปในสถานการณ์ต่างๆ โดยสมการสำหรับการหาค่าการครอบคลุมทางความน่าจะเป็นของการตรวจจับโดยเฉลี่ยมีผลต่างไม่เกินประมาณ 2.5เปอร์เซนต์จากผลการจำลอง ในขณะที่สมการด้านการสื่อสารกับจุดรับข้อมูลแทบได้ผลตรงกับผลการจำลองในกรณีที่เหมือนในการใช้งานจริง งานในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้สามารถนำไปใช้ในการทำนายระดับการครอบคลุมและการ สื่อสารกับจุดรับข้อมูลที่เกิดจากการวางเซนเซอร์แบบสุ่มด้วยความเป็นไปได้เท่ากันทุกจุด สำหรับจำนวนเซนเซอร์จำกัด ในพื้นที่ 2 มิติขนาดจำกัด สมการทั้ง 2 ยังสามารถหาค่าตัวแปรต่างๆที่ทำให้เกิดระดับการครอบคลุมและการสื่อสารที่ต้องการได้โดยใช้ค่าจากกราฟ สมการทั้ง 2 เหมาะกับการใช้ ในการขยายขนาดเครือข่ายไปเรื่อยๆจากการวางเซนเซอร์แบบเป็นกลุ่มในพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส สมการสำหรับการหาค่าการครอบคลุมทางความน่าจะเป็นของการตรวจจับโดยเฉลี่ยใช้ได้กับรูปแบบของการตรวจจับอื่นๆที่เป็นสมการที่ขึ้นกับระยะทางระหว่างเซนเซอร์กับวัตถุที่จะตรวจจับ เมื่อพิจารณาการครอบคลุมและการสื่อสารพร้อมกัน วิทยานิพนธ์ฉบับนี้แสดงผลออกมาว่าตวามสัมพันธ์ของทั้ง 2 ไม่ตรงๆแบบ 1 ต่อ 1 สุดท้ายสมการทั้ง 2 สามารถนำไปใช้ในการวางแผนการนอนของเซนเซอร์แบบ อิสระ นำไปใช้ในการวิเคราะห์ความสารถในการทนทานของเครือข่ายในกรณีที่เซนเซอร์ตายแบบ อิสระปละสุ่ม ใช้ในการลดต้นทุนในการติดตั้งครือข่ายให้มากที่สุดจากการพิจารณาการใช้เซนเซอร์ชนิดต่างๆ ที่จะถูกวางแบบสุ่มด้วยความเป็นไปได้เท่ากันทุกจุด |
Description: | Thesis (Ph.D., Electrical Engineering)--Prince of Songkla University, 2020 |
URI: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17780 |
Appears in Collections: | 210 Thesis |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
447600.pdf | 4.68 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License