A Connectivity Preservation Scheme for Randomly Deployed Wireless Sensor Networks

Abstract

A wireless sensor network (WSN) consists of spatially distributed low-power sensors for the purpose of monitoring an area of interest such as battle field or environmental conditions such as weather, earthquakes, pressure, etc. These sensor nodes monitor the field, sense and process the monitored data, then deliver the processed data to the sink in a multi-hop fashion. To achieve communication between nodes, network connectivity should be maintained, which is not always the case especially when sensor nodes are randomly deployed. This will result in the appearance of unreachable nodes or isolated nodes. In most of these cases, network will be partitioned and disconnected. Therefore, connectivity is an essential key factor for determining network quality of service (QoS). This thesis focuses on achieving high connectivity for randomly deployed wireless sensors by referring to the concept of building a network virtual backbone approach. Although the concept of connected dominating set (CDS) is used as a method to achieve this purpose; however, this method has limitations in presence of isolated or unreachable nodes. Therefore, this thesis contributes to the CDS approach by adding few anchor nodes at calculated distance to gain high network connectivity. Using MATLAB, extensive simulations have been carried out and the results showed that connectivity has been gained by activating few anchor nodes or spare nodes to random WSNs. Our algorithm had approximately twice the Fiedler value enhancement of Random Addition algorithm. Keywords: Wireless Sensor Networks, Network Connectivity, Anchor Nodes, QoS

ÖZ: Kablosuz duyarga ağı (WSN) dağınık ve düşük güç sensörlerden oluşmaktadır. Bu tür ağlar savaş alanı veya hava, deprem ve basınç gibi çevre koşullarının izlenmesinde kullanılmatadır. Bu sensör düğümleri alan duygusu izler, ve izlenen verileri işler, sonra da bir multi-hop metodla işlenmiş verileri belirli bir düğüm istasyonuna iletir. Algılayıcı düğümleri rastgele dağıtıldığı göz önünde bulundurarak, düğümler arasındaki iletişimi sağlamak için, ağ bağlantısı sağlam bir şekilde tutulmalıdır. Ayrıca düğümleri rastgele dağıtıldığından dolayı, bazı düğümler ya da izole edilmiş veya ulaşılamayan duruma gelir. Bu durumların çoğunda, ağ bölümlenmiş ve kopmuş hale gelir. Bu nedenle, bağlantı, ağ hizmeti kalitesinin (QoS) saptanması için önemli bir anahtar faktördür. Bu tezde sanal ağ omurgası yaklaşımı kavramını kullanarak rastgele dağıtılan kablosuz sensörler için yüksek bağlantı sağlanması üzerinde duruluyor. Bağlı görünen set (CDS) kavramı bu amaca ulaşmak için bir yöntem olarak kullanılmasına rağmen; bu yöntemde, izole edilmiş ya da ulaşılamaz düğüm mevcudiyetinde sınırlamalar vardır. Bu nedenle, bu tez, yüksek ağ bağlantısı elde etmek için hesaplanmış mesafeden birkaç çapa düğümler ekleyerek CDS yaklaşımına katkıda bulunmaktadır. MATLAB kullanarak, geniş simülasyonlar yapılmıştır ve sonuçlar birkaç çapa düğümler ekleyerek yüksek bağlantı elde edildiğini göstermiştir. Bizim algoritma Rastgele İlavesi Algoritmasının yaklaşık iki Fiedler değer artışı vardır. Anahtar Kelimeler: Kablosuz Sensör Ağları, Ağ Bağlantısı, Çapa Düğümler, QoS