Optimization of positioning capabilities in wireless sensor networks : from power efficiency to medium access

Abstract

In Wireless Sensor Networks (WSN), the ability of sensor nodes to know its position is an enabler for a wide variety of applications for monitoring, control, and automation. Often, sensor data is meaningful only if its position can be determined. Many WSN are deployed indoors or in areas where Global Navigation Satellite System (GNSS) signal coverage is not available, and thus GNSS positioning cannot be guaranteed. In these scenarios, WSN may be relied upon to achieve a satisfactory degree of positioning accuracy. Typically, batteries power sensor nodes in WSN. These batteries are costly to replace. Therefore, power consumption is an important aspect, being performance and lifetime of WSN strongly relying on the ability to reduce it. It is crucial to design effective strategies to maximize battery lifetime. Optimization of power consumption can be made at different layers. For example, at the physical layer, power control and resource optimization may play an important role, as well as at higher layers through network topology and MAC protocols.

The objective of this Thesis is to study the optimization of resources in WSN that are employed for positioning purposes, with the ultimate goal being the minimization of power consumption. We focus on anchor-based positioning, where a subset of the WSN nodes know their location (anchors) and send ranging signals to nodes with unknown position (targets) to assist them in estimating it through distance-related measurements. Two well known of such measurements are received signal strength (RSS) and time of arrival (TOA), in which this Thesis focuses. In order to minimize power consumption while providing a certain quality of positioning service, in this dissertation we research on the problems of power control and node selection. Aiming at a distributed implementation of the proposed techniques, we resort to the tools of non-cooperative game theory.

First, transmit power allocation is addressed for RSS based ranging. Using game theory formulation, we develop a potential game leading to an iterated best response algorithm with sure convergence. As a performance metric, we introduce the geometric dilution of precision (GDOP), which is shown to help achieving a suitable geometry of the selected anchor nodes. The proposed scheme and relative distributed algorithms provide good equilibrium performance in both static and dynamic scenarios. Moreover, we present a distributed, low complexity implementation and analyze it in terms of computational complexity. Results show that performance close to that of exhaustive search is possible.

We then address the transmit power allocation problem for TOA based ranging, also resorting to a game theoretic formulation. In this setup, and also considering GDOP as performance metric, a supermodular game formulation is proposed, along with a distributed algorithm with guaranteed convergence to a unique solution, based on iterated best response. We analyze the proposed algorithm in terms of the price of anarchy (PoA), that is, compared to a centralized optimum solution, and shown to have a moderate performance loss.

Finally, this dissertation addresses the effect of different MAC protocols and topologies in the positioning performance. In this direction, we study the performance of mesh and cluster-tree topologies defined in WSN standards. Different topologies place different constraints in network connectivity, having a substantial impact on the performance of positioning algorithms. While mesh topology allows high connectivity with large energy consumption, cluster-tree topologies are more energy efficient but suffer from reduced connectivity and poor positioning performance. In order to improve the performance of cluster-tree topologies, we propose a cluster formation algorithm. It significantly improves connectivity with anchor nodes, achieving vastly improved positioning performance.

En les xarxes de sensors sense fils (WSN), l'habilitat dels nodes sensors per conèixer la seva posició facilita una gran varietat d'aplicacions per la monitorització, el control i l'automatització. Així, les dades que proporciona un sensor tenen sentit només si la posició pot ésser determinada. Moltes WSN són desplegades en interiors o en àrees on la senyal de sistemes globals de navegació per satèl.lit (GNSS) no té prou cobertura, i per tant, el posicionament basat en GNSS no pot ésser garantitzat. En aquests escenaris, les WSN poden proporcionar una bona precisió en posicionament. Normalment, en WSN els nodes són alimentats amb bateries. Aquestes bateries són difícils de reemplaçar. Per tant, el consum de potència és un aspecte important i és crucial dissenyar estratègies efectives per maximitzar el temps de vida de la bateria. L'optimització del consum de potència pot ser fet a diferents capes del protocol. Per exemple, en la capa física, el control de potència i l'optimització dels recursos juguen un rol important, igualment que la topologia de xarxa i els protocols MAC en les capes més altes. L'objectiu d'aquesta tesi és estudiar l¿optimització de recursos en WSN que s'utilitzen per fer posicionament, amb el propòsit de minimitzar el consum de potència. Ens focalitzem en el posicionament basat en àncora, en el qual un conjunt de nodes coneixen la seva localització (nodes àncora) i envien missatges als nodes que no saben la seva posició per ajudar-los a estimar les seves coordenades amb mesures de distància. Dues classes de mesures són la potència de la senyal rebuda (RSS) i el temps d'arribada (TOA) en les quals aquesta tesi està focalitzada. Per minimitzar el consum de potència mentre que es proporciona suficient qualitat en el posicionament, en aquesta tesi estudiem els problemes de control de potència i selecció de nodes. Tenint en compte una implementació distribuïda de les tècniques proposades, utilitzem eïnes de teoria de jocs no cooperatius. Primer, l'assignació de potència transmesa és abordada pel càlcul de la distància amb RSS. Utilitzant la teoria de jocs, desenvolupem un joc potencial que convergeix amb un algoritme iteratiu basat en millor resposta (best response). Com a mètrica d'error, introduïm la dilució de la precisió geomètrica (GDOP) que mostra quant d'apropiada és la geometria dels nodes àncora seleccionats. L'esquema proposat i els algoritmes distribuïts proporcionen una bona resolució de l'equilibri en l'escenari estàtic i dinàmic. Altrament, presentem una implementació distribuïda i analitzem la seva complexitat computacional. Els resultats obtinguts són similars als obtinguts amb un algoritme de cerca exhaustiva. El problema d'assignació de la potència transmesa en el càlcul de la distància basat en TOA, també és tractat amb teoria de jocs. En aquest cas, considerant el GDOP com a mètrica d'error, proposem un joc supermodular juntament amb un algoritme distribuït basat en millor resposta amb convergència garantida cap a una única solució. Analitzem la solució proposada amb el preu de l'anarquia (PoA), és a dir, es compara la nostra solució amb una solució òptima centralitzada mostrant que les pèrdues són moderades. Finalment, aquesta tesi tracta l'efecte que causen diferents protocols MAC i topologies en el posicionament. En aquesta direcció, estudiem les topologies de malla i arbre formant clusters (cluster-tree) que estan definides als estàndards de les WSN. La diferència entre les topologies crea diferents restriccions en la connectivitat de la xarxa, afectant els resultats de posicionament. La topologia de malla permet una elevada connectivitat entre els nodes amb gran consum d'energia, mentre que les topologies d'arbre són més energèticament eficients però amb baixa connectivitat entre els nodes i baix rendiment pel posicionament. Per millorar la qualitat del posicionament en les topologies d'arbre, proposem un algoritme de formació de clústers.