Cooperative energy harvesting-adaptive MAC protocol for WBANs

In this paper, we introduce a cooperative medium access control (MAC) protocol, named cooperative energy harvesting (CEH)-MAC, that adapts its operation to the energy harvesting (EH) conditions in wireless body area networks (WBANs). In particular, the proposed protocol exploits the EH information in order to set an idle time that allows the relay nodes to charge their batteries and complete the cooperation phase successfully. Extensive simulations have shown that CEH-MAC significantly improves the network performance in terms of throughput, delay and energy efficiency compared to the cooperative operation of the baseline IEEE 802.15.6 standard.Peer ReviewedPostprint (published version

Enhancement of the duty cycle cooperative medium access control for wireless body area networks

This paper presents a novel energy-efficient and reliable connection to enhance the transmission of data over a shared medium for wireless body area networks (WBAN). We propose a novel protocol of two master nodes-based cooperative protocol. In the proposed protocol, two master nodes were considered, that is, the belt master node and the outer body master node. The master nodes work cooperatively to avoid the retransmission process by sensors due to fading and collision, reducing the bit error rate (BER), which results in a reduction of the duty cycle and average transmission power. In addition, we have also presented a mathematical model of the duty cycle with the proposed protocol for the WBAN. The results show that the proposed cooperative protocol reduced the BER by a factor of 4. The average transmission power is reduced by a factor of 0.21 and this shows the potential of the proposed technique to be used in future wearable wireless sensors and systems

Modeling induction and routing to monitor hospitalized patients in multi-hop mobility-aware body area sensor networks

In wireless body area sensor networks (WBASNs), energy efficiency is an area of extreme significance. At first, we present a mathematical model for a non-invasive inductive link which is used to recharge the battery of an implanted biomedical device (pacemaker). Afterwards, we propose a distance-aware relaying energy-efficient (DARE) and mutual information-based DARE (MI-DARE) routing protocols for multihop mobility-aware body area sensor networks (MM-BASNs). Both the routing protocols and the non-invasive inductive link model are tested with the consideration of eight patients in a hospital unit under different topologies, where the vital signs of each patient are monitored through seven on-body sensors and an implanted pacemaker. To reduce energy consumption of the network, the sensors communicate with a sink via an on-body relay which is fixed on the chest of each patient. The behavior (static/mobile) and position of the sink are changed in each topology, and the impact of mobility due to postural changes of the patient(s) arms, legs, and head is also investigated. The MI-DARE protocol further prolongs the network lifetime by minimizing the number of transmissions. Simulation results show that the proposed techniques outperform contemporary schemes in terms of the selected performance metrics. © 2016, Javaid et al

Critical data-based incremental cooperative communication for wireless body area network

Wireless Body Area Networks (WBANs) are single-hop network systems, where sensors gather the body’s vital signs and send them directly to master nodes (MNs). The sensors are distributed in or on the body. Therefore, body posture, clothing, muscle movement, body temperature, and climatic conditions generally influence the quality of the wireless link between sensors and the destination. Hence, in some cases, single hop transmission (‘direct transmission’) is not sufficient to deliver the signals to the destination. Therefore, we propose an emergency-based cooperative communication protocol for WBAN, named Critical Data-based Incremental Cooperative Communication (CD-ICC), based on the IEEE 802.15.6 CSMA standard but assuming a lognormal shadowing channel model. In this paper, a complete study of a system model is inspected in the terms of the channel path loss, the successful transmission probability, and the outage probability. Then a mathematical model is derived for the proposed protocol, end-to-end delay, duty cycle, and average power consumption. A new back-off time is proposed within CD-ICC, which ensures the best relays cooperate in a distributed manner. The design objective of the CD-ICC is to reduce the end-to-end delay, the duty cycle, and the average power transmission. The simulation and numerical results presented here show that, under general conditions, CD-ICC can enhance network performance compared to direct transmission mode (DTM) IEEE 802.15.6 CSMA and benchmarking. To this end, we have shown that the power saving when using CD-ICC is 37.5% with respect to DTM IEEE 802.15.6 CSMA and 10% with respect to MI-ICC

Cooperative Energy Harvesting-Adaptive MAC Protocol for WBANs

In this paper, we introduce a cooperative medium access control (MAC) protocol, named cooperative energy harvesting (CEH)-MAC, that adapts its operation to the energy harvesting (EH) conditions in wireless body area networks (WBANs). In particular, the proposed protocol exploits the EH information in order to set an idle time that allows the relay nodes to charge their batteries and complete the cooperation phase successfully. Extensive simulations have shown that CEH-MAC significantly improves the network performance in terms of throughput, delay and energy efficiency compared to the cooperative operation of the baseline IEEE 802.15.6 standard

Cooperative energy harvesting-adaptive MAC protocol for WBANs

In this paper, we introduce a cooperative medium access control (MAC) protocol, named cooperative energy harvesting (CEH)-MAC, that adapts its operation to the energy harvesting (EH) conditions in wireless body area networks (WBANs). In particular, the proposed protocol exploits the EH information in order to set an idle time that allows the relay nodes to charge their batteries and complete the cooperation phase successfully. Extensive simulations have shown that CEH-MAC significantly improves the network performance in terms of throughput, delay and energy efficiency compared to the cooperative operation of the baseline IEEE 802.15.6 standard.Peer Reviewe

MAC protokol adaptivnog faktora ispune zasnovan na predviđanju u bežičnim senzorskim mrežama sa prikupljanjem solarne energije

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

MAC protokol adaptivnog faktora ispune zasnovan na predviđanju u bežičnim senzorskim mrežama sa prikupljanjem solarne energije

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