The comparison of energy consumptions for OOK and BPSK modulationsin wireless sensor networks = Kablosuz algılayıcı ağlarda OOK ve BPSK modülasyonları için enerji tüketimlerinin karşılaştırılması

Abstract

Kablosuz algılayıcı ağlar (KAA'lar) düşük güçlü ve küçük boyutlu çok sayıda algılayıcı düğümden meydana gelmektedir. Kendi kendine organize olabilme, bakım gereksinimlerinin az olması, algılayıcı düğümlerin rasgele yerleştirilebilmesi özellikleri sayesinde KAA'lar; askeri uygulamalardan tarıma, sağlık uygulamalarından endüstriyel uygulamalara kadar bir çok farklı alanda uygulama potansiyeline sahiptirler. Geleneksel ağların kurulmasının zor olduğu yerlerde kullanılabilmesini sağlayan ve onları üstün kılan özellikleri, sınırlı enerji kapasitelerinin etkin kullanımı gerekliliğini de beraberinde getirmektedir. Algılayıcı düğümler genellikle enerji kaynağı olarak pil kullanmaktadırlar ve uzak veya erişimin zor olduğu yerlerdeki uygulamalarda pilleri şarj etme ya da değiştirme olanağı yoktur. Pili biten düğüm ölü varsayıldığından ve ağın ömrü düğümlerin ömrüne bağlı olduğundan kısıtlı enerji kapasitesinin etkin kullanımı en önemli tasarım ölçütlerinden biri olmasına yol açmaktadır.Bu yüzden enerji verimliliği, KAA sistem tasarımının önde gelen ölçütlerinden biridir. Literatürde sınırlı enerji kaynağını etkin kullanmayı ele alan çok sayıda çalışma ve bu amaçla geliştirilmiş birçok protokol ve çözüm yer almaktadır. KAA'nın ömrü, düğümlerin kısıtlı güç kaynağının etkin kullanımına bağlı olduğundan enerji tüketimini azaltmak üzere önerilen çok sayıda ortam erişim kontrol (medium access control, MAC) protokolleri, kodlama teknikleri, çeşitli donanım ve yazılım geliştirme çalışmaları bulunmaktadır. Uygun stratejiler kullanılarak KAA'ların enerji verimliliği önemli ölçüde arttırılabilir ve böylece daha uzun ağ ömrü, daha düşük bakım maliyetleri ve daha iyi performans sağlanabilir. KAA; güç, algılama, işlem ve haberleşme temel birimlerinin yanı sıra uygulama gereksinimlerine bağlı olarak konum izleme ve hareketlilik birimlerini de içerebilen çok sayıda algılayıcı düğümden meydana gelmektedir. Temel birimlerin enerji tüketimleri incelendiğinde en çok enerjinin haberleşmede harcandığı gözlenmektedir. Algılayıcı düğümlerin en fazla gücü haberleşme için harcadığı dikkate alındığında kullanılan modülasyon türünün önemi ortaya çıkmaktadır. KAA protokol mimarisi; fiziksel, veri bağı, ağ, taşıma ve uygulama olmak üzere beş katman ile güç yönetim, hareketlilik ve görev yönetim olmak üzere üç düzlemden oluşmaktadır. Modülasyon, frekans seçimi, taşıyıcı frekans üretimi, işaret sezme ve veri şifreleme işlemleri fiziksel katmanda gerçekleştirilmektedir. Bu tez çalışmasında iki modülasyon türü (OOK ve BPSK) ele alındığından protokol yığının fiziksel katmanına yönelik bir çalışma sunulmaktadır. OOK (On-Off Keying, Aç-Kapa Anahtarlama) ve BPSK (Binary Phase Shift Keying, İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama), çok sayıda modülasyon türü arasından basitlikleri ve düşük enerji tüketimleri nedeniyle KAA'larda tercih edilen iki sayısal modülasyon yöntemidir. Taşıyıcı işareti açıp kapayarak (on ve off) ikili veriyi gönderen bir sayısal modülasyon yöntemi olan OOK modülasyonu, KAA gibi düşük güçlü kablosuz haberleşme sistemleri için kolay ve etkili bir modülasyon tekniğidir. OOK, taşıyıcı işareti açıp kapayarak (on ve off) ikili veriyi gönderen bir sayısal modülasyon yöntemidir. '0' biti taşıyıcı işaretin gönderilmemesi, '1' biti ise taşıyıcı işaretin gönderilmesi ile temsil edilir, kısacası taşıyıcı işaret ya iletilir (ON) ya da iletilmez (OFF). Birlikte çalışabilirliği, ekonomikliği ve basitliği sayesinde KAA'lar için arzu edilen bir alternatiftir. OOK, gürültü ve girişime duyarlı ve kısa iletim mesafesine sahip olmasına rağmen kullanımı kolay ve bant genişliği kullanımında etkindir. BPSK, faz kaydırmayı kullanarak ikili veri ileten başka bir sayısal modülasyon yöntemidir. Faz Kaydırmalı Anahtarlamanın (Phase Shift Keying, PSK) bir türü olan BPSK'da tek bir bit iki farklı taşıyıcı işaret fazını göstermek için kullanılır. BPSK'daki '0' biti için faz kayması yokken, '1' biti için taşıyıcı işaret 180 derece faz kaydırılır. Basitliği ve düşük enerji tüketimi sayesinde KAA'lar için tercih edilmektedir. OOK ile karşılaştırıldığında BPSK, daha fazla iletim mesafesine sahiptir, gürültü ve girişime daha az duyarlıdır. Bununla birlikte OOK'dan daha fazla bant genişliği kullanır. KAA'larda OOK ve BPSK her ikisi de uygulama ve özel gereksinimlere bağlı olarak sıkça kullanılmaktadır. Örneğin OOK, kısa pil ömürlü düşük güçlü cihazlar gibi enerji verimliliğinin önemli olduğu durumlarda kullanılabilir. Diğer yandan BPSK'nın kullanımı, kapsamlı endüstriyel izleme sistemleri gibi daha fazla iletim mesafesine ihtiyaç duyulan durumlarda uygun olabilir. KAA'lar için önerilen çeşitli enerji modelleri vardır. KAA uygulamalarında enerji verimli sistem tasarlamak için algılayıcı düğümlerin RF mimarilerinin göz önünde bulundurulması gerekir. Literatürde KAA düğümleri için farklı sınıflı güç yükselteçleri (power amplifier, PA) olan dört RF mimarisi mevcuttur. Tezin konusu OOK ve BPSK modülasyonları olduğundan ilgili modülasyonlara dair enerji modellerine yer verilmektedir. Doğrusal ve doğrusal olmayan olmak üzere iki tür PA vardır. OOK ve BPSK doğrusal modülasyonlar olduğu için doğrusal PA mimarisi kullanılmaktadır. Bu tezde, 150 metreden fazla olmayan yayılma mesafeli, düşük bant genişlikli (< 50 kHz) ve düşük veri hızlı (< 50 kbps) KAA'lar için OOK ve BPSK modülasyonlarının bit başına enerji tüketimleri (Ebit) incelenmektedir. Bu amaçla literatürde daha önce yayınlanmış matematiksel denklemlere ve parametrelere yer verilmektedir. OOK ve BPSK modülasyonlarında üç farklı band genişliği (BW) değeri için (10 kHz, 25 kHz ve 50 kHz) bit başına enerji tüketiminin (Ebit) yayılma mesafesine göre (d) grafikleri elde edilmektedir. Sonuçların karşılaştırılmasından yayılma mesafesinin artışı ile, BPSK ve OOK enerji tüketim değerlerinin belirli bir noktada kesiştikten sonra BPSK'nın OOK'dan daha enerji etkin hale geldiği gözlenmektedir. Önceki çalışmalarda dar band genişlikli sistemlerde kısa mesafe haberleşme için OOK, uzun mesafe haberleşme için BPSK'nın optimal olduğu sonucuna varılmıştır. Fakat "kısa" ve "uzun" mesafe ile kastedilen belirli bir ölçü yoktur. Bu tez çalışmasında ise, band genişliği verildiğinde kısa-uzun mesafe ayrımının yapılabileceği sınır değer için kritik yayılma mesafesi tanımı önerilmektedir. Bu tez çalışmasının amacı; her iki modülasyonun enerji tüketimlerinin aynı olduğu, diğer bir deyişle, kesişme noktasının olduğu yayılma mesafesi değerini belirlemektir. Söz konusu yayılma mesafesi, kritik yayılma mesafesi (dkritik) olarak tanımlanmakta ve matematiksel olarak ifade edilmektedir. Böylece düşük bant genişlikli (< 50 kHz) ve düşük veri hızlı (< 50 kbps) KAA'lar için yayılma mesafesinin altındaki (d < dkritik) değerler için OOK'nın, yayılma mesafesinin üstündeki (d > dkritik) değerler için BPSK'nın daha az enerji tükettiği sonucuna varılmaktadır. OOK ve BPSK modülasyonları için veri hızları eşittir, band genişliği ve veri hızı arasındaki bağıntıdan hareketle ele alınan band genişliği değerleri (10 kHz, 25 kHz ve 50 kHz) için veri hızları hesaplanmakta ve kritik yayılma mesafeleri ile birlikte tablo biçiminde verilmektedir. Bu tablodaki sonuçlar incelenerek band genişliği ile yayılma mesafesi arasındaki ters orantılı ilişki ortaya koyulmaktadır. Enerji etkin bir sistem tasarlarken uygulama gereksinimleri (band genişliği, veri hızı vb.) göz önünde bulundurulmalıdır. Yapılan teorik analize göre KAA uygulaması için band genişliği değeri verildiğinde OOK ve BPSK modülasyonlarının veri hızları aynı olmasına rağmen yayılma mesafesine göre daha az enerji tükettiği için hangisinin seçilmesi gerektiği tespit edilebilmektedir. Bu tezin katkısı, BPSK'nın OOK'dan daha fazla enerji verimli olmaya başladığı yayılma mesafesi için krtitik yayılma mesafesi (dkritik) olarak tanımlanan yeni bir kavram önerilmesi ve düşük bant genişlikli ve düşük veri hızlı KAA'lar için herhangi bir benzetim veya deney gereksinimi olmadan dkritik'i göz önünde bulundurarak enerji tüketimini azaltmak için yayılma mesafesine göre BPSK ve OOK modülasyonlarından hangisinin tercih edilmesi gerektiğine ilişkin bir analitik ifade ortaya koyulmasıdır. İleriki çalışmalarda dar band genişliği uygulamaları için yapılan bu analizler orta ve geniş band genişlikleri için de yapılabilir. OOK ve BPSK modülasyonlarının ele alındığı bu tez çalışması diğer modülasyon türlerini dahil ederek genişletilebilir.

Given that the majority of sensor nodes in wireless sensor networks (WSNs) are battery-powered and have limited energy resources, energy efficiency is a crucial consideration. By putting appropriate strategies into practice, the energy efficiency of WSNs might be significantly increased and thus provided a longer network lifespan, lower maintenance costs, and better performance. The energy efficiency of wireless sensor networks is significantly impacted by modulation. To achieve the optimal balance between energy economy and performance, the modulation method for a given WSN application relies on variables including energy consumption, transmission distance, interference, noise and bandwidth efficiency. BPSK (Binary Phase Shift Keying) and OOK (On-Off Keying) are two digital modulation methods used in WSNs. For low-power wireless communication systems like WSNs, OOK modulation is a straightforward and effective modulation technique. It is a desirable alternative for WSNs thanks to its interoperability, affordability, and simplicity. OOK is a digital modulation method that sends binary data by switching the carrier signal on and off. Either the entire strength (ON) of the carrier signal is carried, or it is not transmitted at all (OFF). A binary 0 in OOK modulation is represented by the carrier signal being off, whereas a binary 1 is represented by the carrier signal being on. OOK is easy to use and effective in utilizing bandwidth, although it is sensitive to noise and interference and has a short range of transmission. BPSK is another digital modulation method that transmits binary data using phase shift keying. A single bit is used in BPSK, a kind of Phase Shift Keying (PSK) modulation, to indicate two distinct carrier signal phases. A binary 0 in BPSK is represented by no phase shift, whereas a binary 1 is represented by a 180-degree phase shift of the carrier signal. Thanks to its simplicity and low energy consumption, it is preferred to be used in WSNs. In comparison to OOK, BPSK has a larger transmission range and is less vulnerable to noise and interference. It does, however, use more bandwidth than OOK. In WSNs, OOK and BPSK are both often used depending on the application and particular requirements. OOK, for instance, may be employed in situations where energy efficiency is important, such in low-power gadgets with short battery lives. The usage of BPSK, on the other hand, may be appropriate in situations when a greater transmission distance is required, such as in extensive industrial monitoring systems. In this thesis, the energy model of WSNs for BPSK and OOK modulation was reviewed, underlining how crucial they are for lowering power usage. The energy consumptions per bit (Ebit) of OOK and BPSK modulations were investigated for narrow bandwidth (< 50 kHz) and low data rate (< 50 kbps) WSNs with the propagation distance (d) no more than 150 meters in this study. For this purpose, the mathematical formulas and parameters which were previously published in the literature were utilized. The energy consumption per bit (Ebit) versus propagation distance (d) graphs were obtained for three distinct bandwidth (BW) values (10 kHz, 25 kHz and 50 kHz) in the OOK and BPSK modulation schemes. From the comparisons of results, it was observed that BPSK became more energy efficient than OOK with the increase of the propagation distance. Then the critical propagation distance (dcritical) at which BPSK started to become superior to OOK in terms of energy consumption per bit was defined and derived mathematically. The contribution of this thesis is to propose a new concept defined as the the critical propagation distance (dcritical) at which BPSK starts to become more energy efficient than OOK and present a mathematical expression to determine dcritical for any given bandwidth without any simulation requirement.