Langattomien sensoriverkkojen energiatehokkuuden parantaminen
kerrosten välistä analyysiä käyttämällä

Väitöstutkimuksessa on kehitetty menetelmiä ja malleja, jotka mahdollistavat energiatehokkuuden parantamisen langattomissa sensori- ja kehoverkoissa. Nämä verkot koostuvat pienistä laitteista, joiden sensorit aistivat sovelluksesta riippuen erilaisia ympäristön tai kohteen ominaisuuksia ja lähettävät aistimansa tiedon radiolähettimen avulla loppukäyttäjälle suoraan tai verkon muiden solmujen kautta. Sensorilaitteiden keräämän tiedon perusteella voidaan kehittää lukuisia erilaisia sovelluksia. Mahdollisia käyttökohteita ovat esimerkiksi terveydenhuolto-, tehdasautomaatio-, älykkäät liikenne- ja kotisovellukset sekä rakenteiden kunnontarkkailu. Eri kohteissa olevien sensorilaitteiden lähettämä tieto voidaan välittää esimerkiksi Internetin kautta loppukäyttäjälle, joka pystyy tarkkailemaan kohdetta sekä kontrolloimaan laitteita milloin tahansa ja mistä tahansa. Sensorilaitteiden määrän on ennustettu kasvavan kymmeniin miljardeihin reilun vuosikymmenen kuluessa. Sensoriverkot muodostavat perustan esineiden ja asioiden Internetille, joka puolestaan nähdään osana tulevaisuuden 5G-verkkoa.

Sensorilaitteiden täytyy olla toteutukseltaan energiatehokkaita, koska niiden energianlähteiden kapasiteetti on pieni. Sensoriverkon toiminta-aika tulee maksimoida käyttäjäystävällisyyden sekä edullisen hinnan mahdollistamiseksi. Sensorilaitteiden välisen viestinnän energiankulutuksen minimoiminen on muodostunut tärkeämmäksi tutkimusongelmaksi, koska suurin osa laitteiden energiasta kuluu solmujen radiolähetin/-vastaanottimissa. Perinteisesti radioiden protokollapinon suunnittelussa on käytetty kerroksellista suunnittelua. Resursseiltaan erittäin rajoittuneissa sensorilaitteissa kerrokset täytyy suunnitella yhdessä ja kerrosten välistä tiedonvaihtoa täytyy hyödyntää mahdollisimman hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Tässä väitöskirjassa esitetään protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä lähestymistapoja, jotka mahdollistavat viestinnän energiatehokkuuden parantamisen. Työ kohdistuu fyysisen- ja kanavanhallintakerroksen välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Nämä ovat protokollapinon alimpia kerroksia luoden pohjan tehokkaalle tiedonsiirrolle verkossa. Fyysisen- ja kanavanhallintakerrosten analyysissä huomioidaan niiden tärkeimmät ominaisuudet ja tutkitaan kerrosten yhteistä energiatehokkuutta. Lisäksi kerrosten välistä analyysiä sovelletaan verkkotasolle tutkimalla hierarkkisen verkon energiatehokkuutta. Tutkitut sensoriverkkoskenaariot hyödyntävät heräteradiota, jonka avulla laitteet voidaan pitää vähän energiaa kuluttavassa lepotilassa mahdollisimman pitkään. Väitöskirjassa ehdotetaan myös geneerinen heräteradiopohjainen kanavanhallintaprotokolla, jolla parannetaan energiatehokkuutta vähentämällä turhaa kanavan kuuntelua.

Väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat selvästi energiatehokkuushyödyt, jotka saavutetaan ehdotettuja menetelmiä käyttämällä tutkituissa sensori- ja kehoverkkoskenaarioissa. Kehitetyt menetelmät ja mallit edesauttavat energiatehokkaan viestinnän kehittämistä, joka mahdollistaa sensorilaitteille pitkän eliniän ilman energianlähteen lataamista/vaihtamista tai jopa toimimisen pelkästään laitteen toimintaympäristöstä louhitun energian avulla.