Energy Aware Cluster-based Multihop Routing Protocol for Sensor Networks

Clustering combined with multihop communication is a promising solution to cope with the energy requirements of large scale Wireless Sensor Networks. In this work, a new cluster based routing protocol referred to as Energy Aware Cluster-based Multihop (EACM) Routing Protocol is introduced, with multihop communication between cluster heads for transmitting messages to the base station and direct communication within clusters. We propose EACM with both static and dynamic clustering. The network is partitioned into near optimal load balanced clusters by using a voting technique, which ensures that the suitability of a node to become a cluster head is determined by all its neighbors. Results show that the new protocol performs better than LEACH on network lifetime and energy dissipation

Smart electricity networks based on large integration of renewable sources and distributed generation

Das Grünbuch 2006 der Europäischen Kommission "Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie" unterstreicht, dass Europa in ein neues Energie-Zeitalter eingetreten ist. Die vorrangigen Ziele europäischer Energiepolitik müssen Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit sein, wobei sie eine zusammenhängende und logische Menge von Taktiken und Maßnahmen benötigt, um diese Ziele zu erreichen. Die Strommärkte und Verbundnetze Europas bilden das Kernstück unseres Energiesystems und müssen sich weiterentwickeln, um den neuen Anforderungen zu entsprechen. Die europäischen Stromnetze haben die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Stromproduzenten und Verbrauchern mit großem Erfolg seit vielen Jahrzehnten gesichert. Die grundlegende Struktur dieser Netze ist entwickelt worden, um die Bedürfnisse großer, überwiegend auf Kohle aufgebauten Herstellungstechnologien zu befriedigen, die sich entfernt von den Verbraucherzentren befinden. Die Energieprobleme, denen Europa jetzt gegenübersteht, ändern die Stromerzeugungslandschaft in zwei Gesichtspunkten: die Notwendigkeit für saubere Kraftwerkstechnologien verbunden mit erheblich verbesserten Wirkungsgraden auf der Verbraucherseite wird es Kunden ermöglichen, mit den Netzen viel interaktiver zu arbeiten; andererseits müssen die zukünftigen europaweiten Stromnetze allen Verbrauchern eine höchst zuverlässige, preiswerte Energiezufuhr bereitstellen, wobei sowohl die Nutzung von großen zentralisierten Kraftwerken als auch kleineren lokalen Energiequellen überall in Europa ausgeschöpft werden müssen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die in dieser Arbeit dargestellt werden, auf aktuellen Fragen mit großem Einfluss auf die gegenwärtigen technischen und wirtschaftspolitischen Diskussionen basieren. Der Autor hat während der letzten Jahre viele der hier vorgestellten Schlussfolgerungen und Empfehlungen mit Vertretern der Kraftwerksindustrie, Betreibern von Stromnetzen und Versorgungsbetrieben, Forschungsgremien und den Regulierungsstellen diskutiert. Die folgenden Absätze fassen die Hauptergebnisse zusammen: Diese Arbeit definiert das neue Konzept, das auf mehr verbraucherorientierten Netzen basiert, und untersucht die Notwendigkeiten sowie die Vorteile und die Hindernisse für den Übergang auf ein mögliches neues Modell für Europa: die intelligenten Stromnetze basierend auf starker Integration erneuerbarer Quellen und lokalen Kleinkraftwerken. Das neue Modell wird als eine grundlegende Änderung dargestellt, die sich deutlich auf Netzentwurf und -steuerung auswirken wird. Sie fordert ein europäisches Stromnetz mit den folgenden Merkmalen: – Flexibel: es erfüllt die Bedürfnisse der Kunden, indem es auf Änderungen und neue Forderungen eingehen kann – Zugänglich: es gestattet den Verbindungszugang aller Netzbenutzer besonders für erneuerbare Energiequellen und lokale Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad sowie ohne oder mit niedrigen Kohlendioxidemissionen – Zuverlässig: es verbessert und garantiert die Sicherheit und Qualität der Versorgung mit den Forderungen des digitalen Zeitalters mit Reaktionsmöglichkeiten gegen Gefahren und Unsicherheiten – Wirtschaftlich: es garantiert höchste Wirtschaftlichkeit durch Innovation, effizientes Energiemanagement und liefert „gleiche Ausgangsbedingungen“ für Wettbewerb und Regulierung. Es beinhaltet die neuesten Technologien, um Erfolg zu gewährleisten, während es die Flexibilität behält, sich an weitere Entwicklungen anzupassen und fordert daher ein zuversichtliches Programm für Forschung, Entwicklung und Demonstration, das einen Kurs im Hinblick auf ein Stromversorgungsnetz entwirft, welches die Bedürfnisse der Zukunft Europas befriedigt: – Netztechnologien, die die Stromübertragung verbessern und Energieverluste verringern, werden die Effizienz der Versorgung erhöhen, während neue Leistungselektronik die Versorgungsqualität verbessern wird. Es wird ein Werkzeugkasten erprobter technischer Lösungen geschaffen werden, der schnell und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, so dass bestehende Netze Stromeinleitungen von allen Energieressourcen aufnehmen können. – Fortschritte bei Simulationsprogrammen wird die Einführung innovativer Technologien in die praktische Anwendung zum Vorteil sowohl der Kunden als auch der Versorger stark unterstützen. Sie werden das erfolgreiche Anpassen neuer und alter Ausführungen der Netzkomponenten gewährleisten, um die Funktion von Automatisierungs- und Regelungsanordnungen zu garantieren. – Harmonisierung der ordnungspolitischen und kommerziellen Rahmen in Europa, um grenzüberschreitenden Handel von sowohl Energie als auch Netzdienstleistungen zu erleichtern; damit muss eine Vielzahl von Einsatzsituationen gewährleistet werden. Gemeinsame technische Normen und Protokolle müssen eingeführt werden, um offenen Zugang zu gewährleisten und den Einsatz der Ausrüstung eines jeden Herstellers zu ermöglichen. – Entwicklungen in Nachrichtentechnik, Mess- und Handelssystemen werden auf allen Ebenen neue Möglichkeiten eröffnen, auf Grund von Signalen des Marktes frühzeitig technische und kommerzielle Wirkungsgrade zu verbessern. Es wird Unternehmen ermöglichen, innovative Dienstvereinbarungen zu benutzen, um ihre Effizienz zu verbessern und ihre Angebote an Kunden zu vergrößern. Schließlich muss betont werden, dass für einen erfolgreichen Übergang zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem alle relevanten Beteiligten involviert werden müssen.

A quality-based cost distribution charging scheme for QoS multicast networks

This paper presents a new charging scheme for cost distribution along a point-to-multipoint connection when destination nodes are responsible for the cost. The scheme focus on QoS considerations and a complete range of choices is presented. These choices go from a safe scheme for the network operator to a fair scheme to the customer. The in-between cases are also covered. Specific and general problems, like the incidence of users disconnecting dynamically is also discussed. The aim of this scheme is to encourage the users to disperse the resource demand instead of having a large number of direct connections to the source of the data, which would result in a higher than necessary bandwidth use from the source. This would benefit the overall performance of the network. The implementation of this task must balance between the necessity to offer a competitive service and the risk of not recovering such service cost for the network operator. Throughout this paper reference to multicast charging is made without making any reference to any specific category of service. The proposed scheme is also evaluated with the criteria set proposed in the European ATM charging project CANCAN

Dynamic management and restoration of virtual paths in broadband networks based on distributed software agents

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes. En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat. El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat.

Modeling energy consumption of dual-hop relay based MAC protocols in ad hoc networks

Given that the next and current generation networks will coexist for a considerable period of time, it is important to improve the performance of existing networks. One such improvement recently proposed is to enhance the throughput of ad hoc networks by using dual-hop relay-based transmission schemes. Since in ad hoc networks throughput is normally related to their energy consumption, it is important to examine the impact of using relay-based transmissions on energy consumption. In this paper, we present an analytical energy consumption model for dual-hop relay-based medium access control (MAC) protocols. Based on the recently reported relay-enabled Distributed Coordination Function (rDCF), we have shown the efficacy of the proposed analytical model. This is a generalized model and can be used to predict energy consumption in saturated relay-based ad hoc networks. This model can predict energy consumption in ideal environment and with transmission errors. It is shown that using a relay results in not only better throughput but also better energy efficiency. Copyright (C) 2009 Rizwan Ahmad et al.

Stable receding horizon control based on recurrent networks

The last decade has seen the re-emergence of artificial neural networks as an alternative to traditional modelling techniques for the control of nonlinear systems. Numerous control schemes have been proposed and have been shown to work in simulations. However, very few analyses have been made of the working of these networks. The authors show that a receding horizon control strategy based on a class of recurrent networks can stabilise nonlinear systems.

Image fusion based on median filters and SOFM neural networks: a three-step scheme

This paper presents a new image data fusion scheme by combining median filtering with self-organizing feature map (SOFM) neural networks. The scheme consists of three steps: (1) pre-processing of the images, where weighted median filtering removes part of the noise components corrupting the image, (2) pixel clustering for each image using self-organizing feature map neural networks, and (3) fusion of the images obtained in Step (2), which suppresses the residual noise components and thus further improves the image quality. It proves that such a three-step combination offers an impressive effectiveness and performance improvement, which is confirmed by simulations involving three image sensors (each of which has a different noise structure).

Real-time application of a constrained predictive controller based on dynamic neural networks with feedback linearization

This paper describes an experimental application of constrained predictive control and feedback linearisation based on dynamic neural networks. It also verifies experimentally a method for handling input constraints, which are transformed by the feedback linearisation mappings. A performance comparison with a PID controller is also provided. The experimental system consists of a laboratory based single link manipulator arm, which is controlled in real time using MATLAB/SIMULINK together with data acquisition equipment.

A model-based PID controller for Hammerstein systems using B-spline neural networks

In this paper, a new model-based proportional–integral–derivative (PID) tuning and controller approach is introduced for Hammerstein systems that are identified on the basis of the observational input/output data. The nonlinear static function in the Hammerstein system is modelled using a B-spline neural network. The control signal is composed of a PID controller, together with a correction term. Both the parameters in the PID controller and the correction term are optimized on the basis of minimizing the multistep ahead prediction errors. In order to update the control signal, the multistep ahead predictions of the Hammerstein system based on B-spline neural networks and the associated Jacobian matrix are calculated using the de Boor algorithms, including both the functional and derivative recursions. Numerical examples are utilized to demonstrate the efficacy of the proposed approaches.

B-spline neural networks based PID controller for Hammerstein systems

A new PID tuning and controller approach is introduced for Hammerstein systems based on input/output data. A B-spline neural network is used to model the nonlinear static function in the Hammerstein system. The control signal is composed of a PID controller together with a correction term. In order to update the control signal, the multistep ahead predictions of the Hammerstein system based on the B-spline neural networks and the associated Jacobians matrix are calculated using the De Boor algorithms including both the functional and derivative recursions. A numerical example is utilized to demonstrate the efficacy of the proposed approaches.

Mobility based energy efficient and multi-sink algorithms for consumer home networks

With the fast development of the Internet, wireless communications and semiconductor devices, home networking has received significant attention. Consumer products can collect and transmit various types of data in the home environment. Typical consumer sensors are often equipped with tiny, irreplaceable batteries and it therefore of the utmost importance to design energy efficient algorithms to prolong the home network lifetime and reduce devices going to landfill. Sink mobility is an important technique to improve home network performance including energy consumption, lifetime and end-to-end delay. Also, it can largely mitigate the hot spots near the sink node. The selection of optimal moving trajectory for sink node(s) is an NP-hard problem jointly optimizing routing algorithms with the mobile sink moving strategy is a significant and challenging research issue. The influence of multiple static sink nodes on energy consumption under different scale networks is first studied and an Energy-efficient Multi-sink Clustering Algorithm (EMCA) is proposed and tested. Then, the influence of mobile sink velocity, position and number on network performance is studied and a Mobile-sink based Energy-efficient Clustering Algorithm (MECA) is proposed. Simulation results validate the performance of the proposed two algorithms which can be deployed in a consumer home network environment.

Wavelet based detection of changes in the composition of RLC networks

The current work discusses the compositional analysis of spectra that may be related to amorphous materials that lack discernible Lorentzian, Debye or Drude responses. We propose to model such response using a 3-dimensional random RLC network using a descriptor formulation which is converted into an input-output transfer function representation. A wavelet identification study of these networks is performed to infer the composition of the networks. It was concluded that wavelet filter banks enable a parsimonious representation of the dynamics in excited randomly connected RLC networks. Furthermore, chemometric classification using the proposed technique enables the discrimination of dielectric samples with different composition. The methodology is promising for the classification of amorphous dielectrics.

Routing protocols and quality of services for security based applications using wireless video sensor networks

Wireless video sensor networks have been a hot topic in recent years; the monitoring capability is the central feature of the services offered by a wireless video sensor network can be classified into three major categories: monitoring, alerting, and information on-demand. These features have been applied to a large number of applications related to the environment (agriculture, water, forest and fire detection), military, buildings, health (elderly people and home monitoring), disaster relief, area and industrial monitoring. Security applications oriented toward critical infrastructures and disaster relief are very important applications that many countries have identified as critical in the near future. This paper aims to design a cross layer based protocol to provide the required quality of services for security related applications using wireless video sensor networks. Energy saving, delay and reliability for the delivered data are crucial in the proposed application. Simulation results show that the proposed cross layer based protocol offers a good performance in term of providing the required quality of services for the proposed application.

A cross layer protocol based on mac and routing protocols for healthcare applications using Wireless Sensor Networks

Using Wireless Sensor Networks (WSNs) in healthcare systems has had a lot of attention in recent years. In much of this research tasks like sensor data processing, health states decision making and emergency message sending are done by a remote server. Many patients with lots of sensor data consume a great deal of communication resources, bring a burden to the remote server and delay the decision time and notification time. A healthcare application for elderly people using WSN has been simulated in this paper. A WSN designed for the proposed healthcare application needs efficient MAC and routing protocols to provide a guarantee for the reliability of the data delivered from the patients to the medical centre. Based on these requirements, A cross layer based on the modified versions of APTEEN and GinMAC has been designed and implemented, with new features, such as a mobility module and routes discovery algorithms have been added. Simulation results show that the proposed cross layer based protocol can conserve energy for nodes and provide the required performance such as life time of the network, delay and reliability for the proposed healthcare application.