Prediction based Adaptive Duty Cycle MAC Protocol for Solar Energy Harvesting Wireless Sensor Networks

Abstract

Harvesting ambient energy has enabled the development of energy-harvesting wireless sensor networks (EH-WSNs). However, in these networks, the uncertainty in harvesting rate due to dynamic weather conditions raises new challenges. Therefore, this drives the development of energy harvesting-aware solutions. Formerly, many MAC protocols have been developed for EH-WSNs, which offer various features based on available harvested energy to support different applications. Nevertheless, optimizing MAC performance by incorporating predicted future energy intake is relatively new in EH-WSNs. Therefore, this thesis presents a machine learning prediction based adaptive duty cycle medium access control (MAC) protocol for solar energy harvesting wireless sensor networks WSNs. The developed protocol incorporates information about the current and future harvested energy using mathematical formulations to improve network performance. By doing so, the proposed MAC protocol effectively addresses the primary goals of solar energy harvesting WSNs: ensuring long-term network sustainability and efficient utilization of harvested energy to enhance the application performance under dynamically changing energy harvesting conditions.

Сакупљање амбијенталне енергије омогућило је развој бежичних сензорских мрежа (EH-WSN) за прикупљање енергије. Међутим, у овим мрежама, неизвесност у стопи жетве услед динамичних временских услова поставља нове изазове. Стога, ово покреће развој решења која су свесна прикупљања енергије. Раније су развијени многи MAC протоколи за EH-WSN, који нуде различите карактеристике засноване на доступној прикупљеној енергији за подршку различитим апликацијама. Ипак, оптимизација перформанси MAC-а укључивањем предвиђеног будућег уноса енергије је релативно нова у EH-WSN-овима. Стога, ова теза представља протокол адаптивног радног циклуса за контролу приступа медијуму (MAC) заснован на предвиђању заснованом на машинском учењу за бежичне WSN мреже за прикупљање соларне енергије. Развијени протокол укључује информације о тренутној и будућој прикупљеној енергији користећи математичке формулације за побољшање перформанси мреже. На тај начин, предложени MAC протокол ефикасно се бави примарним циљевима WSN-а за прикупљање соларне енергије: обезбеђивање дугорочне одрживости мреже и ефикасно коришћење прикупљене енергије за побољшање перформанси апликације под динамички променљивим условима прикупљања енергије.

Sakupljanje ambijentalne energije omogućilo je razvoj bežičnih senzorskih mreža (EH-WSN) za prikupljanje energije. Međutim, u ovim mrežama, neizvesnost u stopi žetve usled dinamičnih vremenskih uslova postavlja nove izazove. Stoga, ovo pokreće razvoj rešenja koja su svesna prikupljanja energije. Ranije su razvijeni mnogi MAC protokoli za EH-WSN, koji nude različite karakteristike zasnovane na dostupnoj prikupljenoj energiji za podršku različitim aplikacijama. Ipak, optimizacija performansi MAC-a uključivanjem predviđenog budućeg unosa energije je relativno nova u EH-WSN-ovima. Stoga, ova teza predstavlja protokol adaptivnog radnog ciklusa za kontrolu pristupa medijumu (MAC) zasnovan na predviđanju zasnovanom na mašinskom učenju za bežične WSN mreže za prikupljanje solarne energije. Razvijeni protokol uključuje informacije o trenutnoj i budućoj prikupljenoj energiji koristeći matematičke formulacije za poboljšanje performansi mreže. Na taj način, predloženi MAC protokol efikasno se bavi primarnim ciljevima WSN-a za prikupljanje solarne energije: obezbeđivanje dugoročne održivosti mreže i efikasno korišćenje prikupljene energije za poboljšanje performansi aplikacije pod dinamički promenljivim uslovima prikupljanja energije.