Sensor networks of the future are predicted to be densely populated and consisting of tiny sensor nodes that are located mere milimetres from the surface of the ground or other environments. To best utilise these networks, information about the propagation channel is needed along with ways to exploit the channel and network characteristics. This thesis is divided into two main portions - the first is the measurement and characterisation of narrowband RF propagation for surface-level wireless communications; the second is the exploitation of node density to improve communication performance and energy efficiency in wireless sensor networks.
The first part of this dissertation reports the results of a measurement campaign for outdoor, ground-surface level wireless communications that stretches over a period of more than 6 months. A comprehensive study of ground level propagation is made for the large-scale path loss, small-scale fading, and time-varying small-scale fading due to movement in the environment. Results for the large-scale path loss show that by incorporating the Norton surface wave component into the signal propagation, a very accurate predictor of the average signal strength can be obtained based on the antenna height and ground properties. Static small-scale fading distributions were also shown to be Rician distributed with a K-factor that depends on the distance from the signal source. Based on the measurement results from irregular terrain, a surface-level irregular terrain (SLIT) model is presented to account to irregular terrain shapes for more accurate path loss prediction. Results for time-varying fading show that the fading caused by wind-blown foliage is Nakagami-$ \emph{m}$ distributed, with a $\emph{m}$ shape factor that is dependent on the wind speed, excess path loss, and seasonal changes to the foliage. Fading due to human movement is difficult to classify for a single person. However, fading for groups of humans moving about can be classified as a Rician distribution. An important result from the measurements was that excess path loss is very strongly correlated to the severity of fading due to environmental movement of both foliage and humans.
The second part of the dissertation proposes a new cross-layer opportunistic transmission scheme for low power wireless sensor networks called Opportunistic Casting. This protocol attempts to take advantage of node density to improve energy efficiency, latency, and throughput of wireless sensor networks using a duty-cycling low-power MAC protocol. A new diversity-latency forwarding metric is proposed to give higher importance to nodes with more low-latency and diverse relays to forward to the sink. Knowledge of PHY and channel level behaviours were incorporated in a cross-layer design. In addition, we also try to opportunistically exploit asymmetric links to increase the number of potential relays. Opportunistic Casting is then evaluated using realistic simulation in comparison with a geographic anycasting protocol and was shown to be superior in adverse channel conditions and different terrains. Finally, we propose an energy model for low-power MAC protocols in log-shadowing propagation environments to ease selection of protocols and parameters.
미래의 센서네트워크는 고밀도로 설치될 것이며, 지면이나 다른 환경으로부터 수밀리미터 가량 떨어져서 배치되는 극소형의 센서노드들로 구성될 것이다. 이러한 네트워크를 최대한 활용하기 위해서, 전송 채널의 특성에 대한 정보뿐만 아니라 이러한 채널과 네트워크의 특성을 이용하는 방법 또한 필요하다. 본 학위논문은 1) 표면 수준(surface level)의 무선 통신을 위한 협대역 RF 전송 특성 측정 및 모델링과 2) 무선센서네트워크에서 통신 성능 및 에너지 효율성을 개선하기 위해서 노드 밀도를 이용하는 방안으로 구성된다.
본 논문의 첫 번째 부분은 6개월 이상에 달하는 기간 동안 지면 수준(ground-surface level)의 무선 통신 특성을 측정한 결과에 대해서 보고한다. large-scale path loss, 정적 small-scale fading, 그리고 주변 환경의 움직임으로 인해 시간에 따라 변화하는 small-scale fading 측면에서 지면 수준 전파(ground level propagation)에 대한 종합적인 연구를 수행한다. Large-scale path loss에 대한 연구 결과는, Norton surface wave 요소를 신호 전파에 포함시킴으로써, 안테나 높이와 지면 특성(permittivity, conductivity 등)에 기반하여 평균 신호세기를 매우 정확하게 예측할 수 있다는 것을 보여 준다. 정적 small-scale fading 분포는 신호원과의 거리에 의존하는 K-factor를 가지는 Rician 분포임이 밝혀졌다. 불규칙 지형(irregular terrain)에 대해서 보다 정확하게 경로손실을 예측하기 위해서, 불규칙 지형으로부터 측정된 결과를 바탕으로, SLIT(Surface-Level Irregular Terrain) 모델이 제안된다. 시간에 따라 변화하는 fading에 대한 결과는, 바람 때문에 흔들리는 수풀에 의한 페이딩이 풍속, excess path loss, 그리고 계절에 따라 바뀌는 수풀에 의존하는 m shape factor를 가지는 Nakagami-m 분포임을 보여준다. 사람의 움직임에 의한 페이딩은 한 사람에 대해서는 분류하기 힘들다. 하지만, 다수의 사람으로 구성된 그룹에 대한 페이딩은 Rician분포로 분류될 수 있다. 다수의 측정으로부터 얻은 중요한 결과는 excess path loss가 수풀과 사람들이 만드는 주변 환경의 움직임에 의한 페이딩의 정도에 매우 강하게 연관된다는 것이었다.
본 학위논문의 두번째 부분은 “오퍼튜니스틱캐스팅(Opportunistic Casting)”이라 불리는 저전력 무선센서네트워크를 위한 새로운 크로스레이어 오포튜니스틱 전송 기법(cross-layer opportunistic transmission scheme)을 제안한다. 이 프로토콜은 저전력 듀티사이클링 MAC프로토콜을 이용하여 무선센서네트워크의 에너지 효율성, 전송지연, 그리고 처리량을 향상시키기 위해서 노드 밀도를 이용하려고 시도한다. 새로이 제안된 diversity-latency forwarding metric은 보다 낮은 전송지연을 가지며 싱크노드로 전달할 수 있는 다양한 릴레이를 가지는 노드들에게 보다 높은 중요성을 부여한다. 물리계층과 채널 수준의 동작에 대한 지식은 크로스 레이어 설계에 이용되었다. 뿐만 아니라, 우리는 잠재적인 릴레이 노드의 수를 늘리기 위해서, 비대칭 링크 조차도 이용하려고 시도한다. 오퍼튜니스틱캐스팅은 geographical 애니캐스팅 프로토콜과 비교하여 현실성 있는 시뮬레이션을 이용하여 평가되었으며 열악한 채널상태와 서로 다른 지형에서 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났다. 마지막으로, 우리는 저전력 MAC 프로토콜들에 대해서 프로토콜 및 파라미터 선택을 쉽게 하도록 돕기 위해서 log-shadowing 전파 환경 하에서 이들에 대한 에너지 모델을 제안한다.
