In this study, we propose a clustering algorithm to enhance the performance of wireless sensor and actuator networks (WSANs). In each cluster, a multi-level hierarchical structure can be applied to reduce energy consumption. In addition to the cluster head, some nodes can be selected as intermediate nodes (INs). Each IN manages a subcluster that includes its neighbors. INs aggregate data from members in its subcluster, then send them to the cluster head. The selection of intermediate nodes aiming to optimize energy consumption can be considered high computational complexity mixed-integer linear programming. Therefore, a heuristic lowest energy path searching algorithm is proposed to reduce computational time. Moreover, a channel assignment scheme for subclusters is proposed to minimize interference between neighboring subclusters, thereby increasing aggregated throughput. Simulation results confirm that the proposed scheme can prolong network lifetime in WSANs.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.10
no.6
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pp.2546-2566
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2016
This paper investigates an efficient transmission scheme for the remote wireless sensors to receive information which is rarely discussed in the integrated remote wireless sensor and multibeam satellite networks (IWSMSNs). The networks can be employed to exchange sensing information for emergency scenario, ocean scenario, and so on, which are isolated from available terrestrial networks. As the efficient transmission link is important to the IWSMSNs, we propose a hybrid full frequency (HFF) precoding by taking advantage of frequency reuse and multiple-input multiple-output (MIMO) precoding. Considering energy efficiency and sinks fairness are crucial to transmission link, thus the HFF precoding problems are formulated as transmit power minimization (TPM) and max-min fair (MMF) received signal to interference plus noise ratio (SINR) problems, which can be transformed to indefinite quadratic optimization programs. Then this paper presents a semi-definite programming (SDP) algorithm to solve the problems for the IWSMSNs. The promising potential of HFF for the real IWSMSNs is demonstrated through simulations.
Generally, It is indispensible to use an ISP(In System Programming) tool for upgrading, patching, or changing the system software of the each sensor nodes in wireless sensor networks. While under a small number of nodes, the upgrading task is not a serious burden, however if there are a large number of nodes to be updated, the task is almost impossible to do for the given constrains such as limited budgets and resources. Based on this observation, in this paper we have proposed a novel upgrading scheme based on a single hop in IEEE 802.15.4 PAN(Personal Area Network)s. Simulation results have shown the scheme outcomes the conventional methods in the performance measures.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.9
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pp.3034-3055
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2014
Wireless Sensor Networks have extensively been utilized for ambient data collection from simple linear structures to dense tiered deployments. Issues related to optimal resource allocation still persist for simplistic deployments including linear and hierarchical networks. In this work, we investigate the case of dimensioning parameters for linear and tiered wireless sensor network deployments with notion of providing extended lifetime and reliable data delivery over extensive infrastructures. We provide a single consolidated reference for selection of intrinsic sensor network parameters like number of required nodes for deployment over specified area, network operational lifetime, data aggregation requirements, energy dissipation concerns and communication channel related signal reliability. The dimensioning parameters have been analyzed in a pipeline monitoring scenario using ZigBee communication platform and subsequently referred with analytical models to ensure the dimensioning process is reflected in real world deployment with minimum resource consumption and best network connectivity. Concerns over data aggregation and routing delay minimization have been discussed with possible solutions. Finally, we propose a node placement strategy based on a dynamic programming model for achieving reliable received signals and consistent application in structural health monitoring with multi hop and long distance connectivity.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.13
no.7
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pp.3412-3432
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2019
Recent advances in radio frequency (RF) power transfer provide a promising technology to power sensor nodes. Adoption of mobile chargers to replenish the nodes' energy has recently attracted a lot of attention and the mobility assisted energy replenishment provides predictable and sustained power service. In this paper, we study the joint optimization of mobile charging and data gathering in sensor networks. A wireless multi-functional vehicle (WMV) is employed and periodically moves along specified trajectories, charge the sensors and gather the sensed data via one-hop communication. The objective of this paper is to maximize the uplink throughput by optimally allocating the time for the downlink wireless energy transfer by the WMV and the uplink transmissions of different sensors. We consider two scenarios where the WMV moves in a straight line and around a circle. By time discretization, the optimization problem is formulated as a 0-1 programming problem. We obtain the upper and lower bounds of the problem by converting the original 0-1 programming problem into a linear programming problem and then obtain the optimal solution by using branch and bound algorithm. We further prove that the network throughput is independent of the WMV's velocity under certain conditions. Performance of our proposed algorithm is evaluated through extensive simulations. The results validate the correctness of our proposed theorems and demonstrate that our algorithm outperforms two baseline algorithms in achieved throughput under different settings.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.24
no.11
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pp.1550-1553
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2020
In this paper, we maximize the lifetime of a multi-hop path through a cooperative wireless energy sharing scheme between constituent nodes in a wireless multi-hop communication. Considering a bidirectional multi-hop communication environment, we present an optimization problem to maximize path lifetime by adjusting the amount of energy each node needs to share with its neighboring nodes. On the basis of solidarity property, i.e., the lifetime of the multi-hop path is maximized when the lifetimes of all nodes are the same, we convert the considered optimization problem into a linear programming problem and solve it easily. Simulation result shows that the proposed two-way wireless energy sharing method maximizes the path lifetime of multi-hop communications and approximately doubles the path lifetime compared with the one-way energy sharing method.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.5
no.5
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pp.1069-1084
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2011
This paper considers an optimal base station clustering problem for designing a mobile (wireless) communication network. For a given network with a set of nodes (base stations), the problem is to optimally partition the set of nodes into subsets (each called a cluster) such that the associated inter-cluster traffic is minimized under certain topological constraints and cluster capacity constraints. In the problem analysis, the problem is formulated as an integer programming problem. The integer programming problem is then transformed into a binary integer programming problem, for which the associated linear programming relaxation is solved in a column generation approach assisted by a branch-and-bound procedure. For the column generation, both a heuristic algorithm and a valid inequality approach are exploited. Various numerical examples are solved to evaluate the effectiveness of the LP (Linear Programming) based branch-and-bound algorithm.
In this paper, we formulate the minimum power multicast problem in wireless networks as a mixed integer linear programming problem and then propose a Lagrangean relaxation based algorithm to solve this problem. By leveraging on the information from the Lagrangean multiplier, we could construct more power efficient routing paths. Numerical results demonstrate that the proposed approach outperforms the existing approaches for broadcast, multicast, and unicast communications.
Journal of the Korean Operations Research and Management Science Society
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v.41
no.2
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pp.53-65
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2016
Static wireless multi-hop networks, such as wireless mesh networks and wireless sensor networks have proliferated in recent years because of they are easy to deploy and have low installation cost. Two key measures are used to evaluate the performance of a multicast tree algorithm or protocol : end-to-end delay and the number of transmissions. End-to-end delay is the most important measure in terms of QoS because it affects the total throughput in wireless networks. Delay is similar to the hop count or path length from the source to each destination and is directly related to packet success ratio. In wireless networks, each node uses the air medium to transmit data, and thus, bandwidth consumption is related to the number of transmission nodes. A network has many transmitting nodes, which will cause many collisions and queues because of congestion. In this paper, we optimize two metrics through a guaranteed delay scheme. We provide an integer linear programming formulation to minimize the number of transmissions with a guaranteed hop count and preprocessing to solve the aforementioned problem. We extend this scheme not only with the guaranteed minimum hop count, but also with one or more guaranteed delay bounds to compromise two key metrics. We also provide an explanation of the proposed heuristic algorithm and show its performance and results.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.48
no.10
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pp.29-34
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2011
We present a network coding scheme which is designed for improving throughput in multi-hop wireless network with multi-radio multi-channel. The co-channel interference and unreliability of wireless transmissions cause the wireless network to reduce throughput. In wireless network, multi-radio multi-channel technology shows benefit to cut down channel interferences and contentions. And network coding can reduce the complexity of scheduling and improve throughput by increasing usage of links in wireless network. In this paper, we propose a method of channel assignment and transmission scheduling in intra-session network coding that efficiently improve throughput for multi-hop wireless network by using mathematical modeling and linear programming. Moreover, we evaluate the performance of the intra-session network coding scheme by using AMPL with CPLEX. The simulation results show that intra-session network coding can achieve better throughput than traditional routing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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