TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5699 ~ 5708   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.620 5          5699     Re cei v ed Ap ril 5, 2014; Re vised Ma y 13 , 2014; Accep t ed May 25, 2 014   IR-UWB: An Ultra Low Power Consumption Wireless  Communication Technologie for WSN       Anou ar Dari f* 1 , Rachid Saadan e 2 , Driss Aboutajdi n e 1   1 LRIT -GSCM Associate d  Unit  to CNRST  (URAC 29) , FSR Mohamm ed V-A gda l Univ ersit y , BP 1014 Ra b a t  Morocco  2 SIR2C2S/LAS I -EHT P, Hassania Sch ool   of Public  Lab ors, Km 7 El Jadid a  Roa d , B.P 810 8 Casa-Oas is,  Casablanca M o rocco  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : anou ar.dar if@gmai l .com       A b st r a ct   W i reless  Sens or N e tw ork (W SN) h a s  gai ne d p o p u lar i ty in   recent ti mes i n  resi denti a l, c o mmerc i a l   and  in dustria l  app licati ons. S e vera l w i rel e ss  techn o lo gi es  have  e m er ge d  rang in g fro m   short a nd  medi u m   distanc es. Blu e t ooth, Z i gBe e  a nd I m pu lse  Ra dio  Ultra  W i d e   Band (IR- UW B) are thre e sh o r t range  w i rele ss   communic a tio n s . T here  are  s e vera l feat ures  of IR-UW B  sig n a l s  wh i c h  ma ke  them  attractive  for a  short   rang e of w i rel e ss ap plic ation s . Some  of the major  adva n t ages of IR-U W B  are low  compl e xity, ultra lo w   pow er co nsu m ption,  and  go o d  ti me-d o m ai n  resol u tio n  a llo w i ng for l o cati on a n d  trackin g  ap pl icatio ns. I n   this pa per, w e  provi de  a p e r forma n ce stu d y of t hes e p opu lar w i rel e s s  co mmun icati on tec hno lo gie s ,   eval uatin g th e  ma in f eatures   and  adv anta g e s  of IR-UW B  f o r WSN in term s  of the transm ission tim e   and  pow er cons u m ption. W e  us ed  MiXiM pl atform u n d e r OM Net+ +  simul a tor  to ana ly z e  a n d  evalu a te the  ma i n   features of IR-UW B .     Ke y w ords : W S N, Bluetoot h, Z i gbe e, IR-UW B , E nergy cons umptio n, T r ansmiss ion ti me         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Wirel e ss Sen s or  Network (WSN) is com posed of a la rge nu mbe r  o f  coope rative sen s o r   node s, whi c h  are den sely  deployed ei ther insi de the phe nome non or ve ry clo s e to it, can   comm uni cate  in broad ca st fashion.  Th e num ber  o f  s e ns or  no de s  de p l o y ed in  s t ud yin g  a   phen omen on  may be i n  th e order of hu ndre d s or  tho u sa nd s. De p endin g  on th e appli c atio n, the  numbe r may  rea c h a n  e x treme value  of millions.  A sen s o r  no de is m ade  up of four b a si c  comp one nts  namely se nsi ng unit, pro c essing uni t, tran sceiver u n it and power unit. Sensor  netwo rks m a y con s ist of d i fferent types of sen s o r s.  They are abl e to monito r  a wid e  variet y of  ambient  con d i tions  su ch a s  tempe r atu r e, vehicu la r  movement, li ghtning  con d i t ion, noise l e vels   [1] have sug geste d that wirel e ss sen s ors c an be  use d  whe r e  wire d line sy stem s can not  b e   deploye d . Th e rapi d depl o y ment, self o r gani zatio n   a nd fault-tole rance ch ar act e risti cs of  WSNs   make them versatile for  military, medical, envir onm ental, entertainment,  transportation, cri s is  manag eme n t and sm art sp ace s .   Wirel e ss  sen s or  networks are inte nde d to monito r eve n ts an d phe n o mena i n  a  specifie d  environ ment  [2] such as p h ysical wo rld,  a bi ologi cal  system [3], o r  an info rmati on tech nolo g y  frame w ork  u s ing autono mous  [4] coll ection of  se n s or  nod es  wi th limited en ergy, sto r ag e  and   pro c e ssi ng  capabilitie s.  While trying  to  sen d  the  mo nitored  info rmation to  the  ba se  station  or  admini s trato r  to rea c t to events a nd p henom ena i n  spe c ific  envi r onm ent con gestio n  o c cu rs.  Gene rally  se nso r s are de ployed in l a rge qu antities  with hi gh d e n sity. So co n gestio n  is a li kely  event. Cont rolling  con g e s tion is difficu lt due to  dy namically time varying  wi rele ss chann el  con d ition an d conte n tion  cau s ed  due  to interfere n c e by con c urren c e tra n sm issi on an d al so  traffic pattern  in WSN is entirely different fr om tra d itional networks. In tradi tional netwo rks  destin a tion s are rando m hen ce avoidi ng con g e s ti o n  is easy but  WSN deliver myriad types of  traffic ,its de nsity increa ses when  su d den event  o c curs a nd so me nod es m a y worn out  their   battery po we r rem o val of su ch no de s i n  the  network ma ke u n co nge sted pa rt  of the network  become e a sil y  conge sted.  This  will de grad e the ne twork qu ality, increa se the  loss rate a n d  unfairn ess to ward no de s  who s e  data  has to t r av erse a l a rge n u mbe r  of ho ps. Obvio u sl y,  redu cin g  the  cabl e re stri ction is o ne of the ben ef its o f  wirele ss wit h  re spe c t to cabl ed devi c es.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  569 9 –  5708   5700 Other b enefit s in clude th e  dynamic  net work fo rmat io n, low cost, a nd ea sy depl oyment. Gen e ral  spe a ki ng, the  sho r t-rang e  wirel e ss  scen e is  curr ently  held by three  techn o logie s  are a  wirele ss   comm uni cati on for Wi rele ss Sen s o r  Ne twork: Blueto o th, ZigBee a nd IR-UWB.  The rest  of this p ape r i s   orga nized a s  follows. In  Section  2 we  pre s e n t the  wirel e ss   comm uni cati on  te chn o logi es with a det ailing of  IR -UWB, the t r an smissi on  time  are  presente d  in  Section 3. T h en in Se ction  4 we  present ed the e n e r g y  con s umptio n and lifetime ;  finally, Section  5 con c lu de s the pap er.       2. Wireless  Communica tion Technol ogies   2.1. Bluetoo t h  Bluetooth is  a Radi o Fre q uen cy (RF )  specifi c ation f o r sh ort -ra ng e, point-to-po int and   point-to-multi-point voice  and dat a transfer. Bluetooth will enabl e users to  connect to a wi de  rang e of com puting an d telecom m uni cat i ons d e vice s  without the n eed for p r op ri etary cabl es t hat  often fall  sh ort in t e rm s  of ea se-of-u s e. Th e  techn o logy rep r e s ents  an  opp ortunity for the  indu stry  to d e liver wirele ss solutio n s  th at  are  u b iquit ous a c ross  a  broad  ra nge  of d e vice s.  The   stren g th an d  dire ction of t he un derlyin g  Bluetoot h  standa rd  will e n su re that  all solutio n s m e et  string ent exp e ctation s  for  ease-of -u se  and inte ro p e rability [5]. The Bluetooth core  spe c ification  contai ns both  ha rdware a n d  a  software  descri p tion.  T he fo rme r  p e rtains to  the  l o we st laye rs  of  the proto c ol  stack, like the  radio  and the  base ban d,  while the latter  pertain s to hi gher l a yers that  are  typi cally execute d   by dedi cated mi cro p rocess o r s a nd/or the  pro c e s sor o f  a ho st devi c e.  These co mpo nents a r e illu strated in Fi g u re 1:           Figure 1. Bluetooth Com p onent s      Figure 2 de pi cts the Bluet ooth  protocol  stack [6], wh ich al so  sho w s the ap plication and  profile s “laye r”  fo r com p le teness.  T he Radi o  la ye r  define s  the  requireme nts  for a  Bluetoo th  transceive r  o peratin g in the 2.5G H. In orde r to  make  differe nt hard w a r e  implementat ions  comp atible,  Bluetooth de vices u s e the  Host  Cont rol l er Interfa c e  (HCI) a s  a common inte rf ace  betwe en the  Bluetooth h o st an d the  Bluetooth  core . High er-lev el protoc ols l i ke the S e rvi c e   Discove r y Protocol  (S DP),  RF COM M  (emulating   a  seri al p o rt  co nne ction) an d the T e lep h ony  Control Proto c ol (T CS) a r e interfaced to base - b and  servi c e s  via the Logi cal Li nk Co ntrol a n d   Adaptation P r otocol.  Am o ng the i s sue s  L2CAP ta ke s care of, is  segmentatio n  and  rea s sem b ly  to allo w la rg e r  d a ta p a cket s to  be  carrie d ove r  a  Blu e tooth b a seb and  co nne cti on. Th e Se rvice  Discove r y Protocol allo ws ap plication s  to  find  o u t about av ailable  se rvice s  an d th eir  characteri stics when, e.g. devic es are moved or  swi t ched off.   Serv ice  Di s c o v e ry  Prot oc ol (S DP), in   spe c if ic,  allo ws the  users with Bl uetoo th devices  to conn ect to  the neighb oring devices i n  a wire less  manne r. One  notable characteri stic  abo ut  the SDP about the Servi c e Di scovery  Protocol  is its capability to ena ble Bluetooth wi rel e ss  device users to  get  on -de m and se rvice s .  On July , 2 000, the Blu e t ooth Spe c ial  Intere st Gro up  (SIG)  defined  a p r o c e s s th at ena ble s   system  dev elop ers to  emplo y  the Saluati on a r chitectu re   for  servi c e  d i scovery a  u t ilization fu nctions i n  Blue tooth sho r t-range  ra dio f r equ en cy (RF)  netwo rks. F u rther, SIG i s  dev elopi ng  new Bluetoot h re qui reme nts, in cludin g  Saluation  a nd  universal plu g  and play, to descri be h o w to us e ot her servi c e d i scovery tech nologi es in the  Bluetooth environment. It is the  authors’  belief that  service discovery  archit ecture eventually  will  come into p r o m inen ce with  the popul arity of mobile co mmerce te ch nology.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     IR-UWB: An Ultra Lo w Po wer  Con s um ption  Wirele ss Com m unica tion… (Ano ua r Da rif)  5701     Figure 2. The  Bluetooth Protocol Stack      2.2. Zigbee   Zigbee [7] d e f ines two mo des  of ope rat i on: bea con  enabl ed an d  non be acon  enabl ed.  In the former, a  c o ordinator,  c a lled the Pic o net Coo r dinato r  (PNC)  send s periodic  be acon s.   Beaco n s a r e  followe d by a  so -called  Co ntention A c cess Pe riod  (CAP), du rin g  whi c h  all n o des  can  compete   indep ende ntly for c han nel acce ss  u s ing a  CSMA/CA   algorith m , an d by a  Colli si on  Free   Peri od (CFP), duri ng whi c h node s comm uni cate   duri ng  tim e  slots  excl usiv ely  allo cated  b y   the PNC. In  the non b eacon en abl ed mod e ,  node s use a  CSMA/CA proto c ol in t heir  comm uni cati on. ZigBee Alliance [8] defi ned the proto c ol sta c k upp er layers.   The introdu cti on of an IR-UWB m ade t h is p r oto c ol u nable to o p e r ate, sin c e it relies o n   CCA  (in b o th  of its mod e s). The r efore,  adaptatio ns   were d e fined  in the  stand ard. In p a rti c ular,  the CSMA/CA mode is re placed by an  ALOHA m o d e  that does n o t rely on CCA. The MAC sub- layer h andl es all a c cess t o  the p h ysi c al ra dio  ch an nel. It provid es  an inte rfa c e  between t he  servi c e spe c ific co nverg e n c e sub-l a yer (SSCS) and th e PHY layer.    2.2.1. Net w o r k  Co mponents   In Zigbee net work ge ne rall y we can d e fine three type s of node s [9]. These n ode s are:   PAN  c o or d i na to r :  There can be only o ne co ordi nat or for ea ch  ZigBee net work. Thi s   node i s  liabl e for initializi ng the net work,  sele cting  the suitable  chan nel an d allowi ng ot her  devic es  to c o nnec t  to its  network .    Full Fu nctio n   De vise:  It ca n  se rve a s  th e  co ordi nato r   of a p e rson al  are a  n e two r k just  as   it may functi on a s  a  co m m on n ode. It  impleme n ts  a gen eral m odel of  com m unication  which  allows it to talk to any other device.   Red u ced F u nction  De vi se:  The s e n o des  are only  use d  to tal k  either  a rou t er or a   coo r din a tor.  An end devi c e con n e c ted  to the netwo rk  thro ugh eit her a  route r , or directly to  the   coo r din a tor.  There are th ree different types  of topol o g ies p o ssible  for a ZigBee  netwo rk.     2.2.2. Net w o r k  T o p o log y         Figure 3. Zigbee Netwo r k  Topolo g y  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  569 9 –  5708   5702 As depi cted in Figure 3, the basi c  net work  topol ogi es suppo rted  by the network laye r  are  star, m e sh, clu s ter  or t h ree. In  star  topol ogy d e vice s have to f i rst  send  a m e ssag e to th e  PAN c o ordinator (P C) in order to  c o mmunicate with eac h  other.    Devices  ca n  dire ctly co m m unicate  with ea ch other  without  th e intervention  of  PAN   coo r din a tor in me sh  network topol ogy. Clu s ter t opo logy shares the feat u r e s  of  both star an d   mes h  topology [10].     2.3. IR-UWB   IR-UWB is a  promi s ing te chn o logy to addres s Wire less  Sen s or Network  con s traint s.   Ho wever,  existing  network  simulatio n  tools do  n o t provide  a  co mplete   WSN sim u la tion   architec ture,  with the IR-UWB  s p ec ific ities  at  the  Physical  (PHY) an d the  Medium Acce ss  Contr o l (MA C ) lay e r s .  The IR-UWB sign al uses p u lse s  ba se ba nd a ve ry sh ort peri od of time of the order of a  few hun dred  pico se co nd s. These si gna ls have a  fre quen cy re sp onse of nea rl y zero  hert z   to   several G H z.  Acco rdin g to  [11] there is  no stan da rdi z ation, the wa veform is n o t limited, but its   feature s  a r e li mited by the  FCC  ma sk. T here  are different mo dulati on sch e me s  baseba nd for  IR- UWB [12]. Th is pap er u s e s  the PPM  tec hnique for IR-UWB receiver.    2.3.1  IR-UWB Signal Informati o n   IR-UWB si gn als are tran smitted in form of  very short pulses  with low duty cycle (see  Figure 4).            Figure 4. Cla ssi c IR-UWB sign al  [1] and  its param eters: Tc is the d u ration of a chip, Tf = Nc.T c  is the duratio n of a frame and Ts  = Nf.T f is t he durati on of a seq u e n ce. Tg  = Ng. T c is g uard       IR-UWB is a  promi s ing te chn o logy to addres s Wire less  Sen s or Network  con s traint s.   Ho wever,  existing  network  simulatio n  tools do  n o t provide  a  co mplete   WSN sim u la tion   architectu re,  with the I R -UWB  sp ecifi c ities  at the  physi cal  (P HY)  and th e  Mediu m  Acce ss  Contr o l (MA C ) lay e r s .  The medi um is divided into  frame s  and e a ch frame is  sha r ed in   chi p s. The fra m e and   chip duration   are    and  , re spe c tively. The tra n smitte d symb ol can  be repe ated  followin g  a  pse udo  ra ndo m se que nce to avoid  cata strophi c  colli sion un de r mul t iuser a c cess con d ition s  [1 3].  The k th  u s er t r an smitted si gnal  S  t   can be e x presse d as:         ∑    .  . ∞  ∞        Whe r e  E   is the transmitted  pulse ene rgy;  t  t denote s the basi c  pul se shape an d { c }  rep r e s ent s th e  j   compo nen t of the pseu do rand om T i me Hoppin g  Seque nce. The received   sign al  r t   wh en o n ly one user i s  pre s e n t can  be expre s se d as:        .          ∑ .    .  .   ∞  ∞     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     IR-UWB: An Ultra Lo w Po wer  Con s um ption  Wirele ss Com m unica tion… (Ano ua r Da rif)  5703 Whe r e  τ   represe n ts the p u lse p r o paga tion delay an d  n t  is Additive  White Ga ussia n   Noi s e (A WG N)  with   power den sity an d A represen ts t he sign al attenuation o b se rved du ri ng  prop agatio n [ 14]. It dep en ds  on  the  co nsid ere d   cha nnel  model  in  term s  of pat h lo ss,  multip ath,  sha d o w ing. In a multi user scen a ri o wh ere  N  users are active, the rece ive d  sign a l  is expresse d   as:       ∑ .             .   ∑ .         Whe r e  τ  represe n ts the d e lay asso ciat ed to  the propag ation an d a synchro n ism  betwe en clo c ks [13].  A  represe n ts the attenuation of the kt h use r ’s signal (k=1 repre s e n ts the   sign al of the use r  interest). This formul ati on ca n be  use d  to cha r acteri ze the  TH-I R-UWB PHY  layer in a mul t i user  scena rio; howeve r  the us ed p r op agation d e lay  does  not re p r esent the re al  prop agatio n delay for the real de ploym ent config ur at ion. The use d  Bit Error Rate (BER) ve rsu s   the Signal to  Interfere n ce  and  Noi s e  Ratio (SI N R) is al so b a se d on a  perfe ct po wer  co n t rol  assumptio n  which i s  not al ways reali s tic.    2.3.2 Radio  Sta t e  Machine   Since th e p o w er con s um p t ion is de rive d from  t he tim e  spent in  ea ch  of the  radi o mod e s,  it is impo rtant  to model the s e a c curately. The finite st ate machine i llustrate d in F i gure  5 is  use d ,  with thre e st eady state s   Sleep ,  Rx  a nd  Tx , a nd  four tra n si en t states  Set upRx ,  SetupTx ,  Switc h RxTx  and  Swit c h TxRx . Th e radi o ca n always leave any st ate (ste ady o r  tran sie n t) a nd  immediately  enter sl eep m ode.   The time spe n t in a transie nt state is a consta nt  T TrStat e , the power  con s um ption  in each  state is  P State   and the en ergy cost of a transitio n  from  one ste ady st ate to anothe r is  E TrState .          Figure 5. Det a iled Radio M odel Incl udin g  Tran sie n t States      3. Transmiss i on Time  The tra n smi s sion time d e pend s on th e  data rate, th e messa ge size, and th e  distan ce  betwe en two  node s. The fo rmula for tran smissio n  time  ( μ s)  can b e  d e scrib ed a s  [15]:    T   N      N   T  T                                     Whe r e  N   is the data si ze ,  N    is the maximum payload size,  N   is the  overhe ad size,  T   is the  bit time, and  T   is t he p r opa gati on time b e tween a n y two  device s .  For sim p licity ,  the propag ation time is negligibl e   in this pape r. The typical pa ramete rs of the  three technol ogie s  use d  for tran smi ssi on time ev aluation are listed in Table 1. As sho w n  in  Figure 6, the  tran smissio n  time for the   ZigBee i s  lon ger th an the   others b e cau s e of th e lo wer   data rate,  wh ile IR-UWB  requires l e ss t r an smi ssi on time co mpa r e d  with the ot hers. Obviou sly,  the re sult also sho w s the required tra n smissi on ti me i s  propo rtional  to the data p a yload si ze a n d   disp rop o rtion a l to the maximum data rat e .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  569 9 –  5708   5704 Table 1. Typi cal System P a ram e ters   Bluetooth  ZigBee  IR-UWB   Max data    rate ( M bit/s)  0.72  0.25  100  Bit time ( μ s) 1.39  4  0.009   Max data  pa y l oa d (b y t es)   339  102  2044   Max overh ead (b ytes)   158  31  42          Figure 6. Tra n smi ssi on Ti me Versus T he Data Payl oad Size       4. Energ y  Consumption a nd Life Time   4.1. Energ y   Consumption   In  IR-UWB  based WSN, devices com m unicate  usi ng the packet format illust rated in  Figure 7. It consi s ts  of three compo nen ts: sync hro n i z ation  pre a m b le (SP), PHY-hea der  (P HR),  and p a yload.  The very  sho r t duration of  the pul se s  m a ke s them  dif f icult to dete c t. Since there  is   no ca rri er  sig nal, the cha n nel is empty  most of  the time even tho ugh a tra n sm issi on is o n g o ing.  The only pa rt  of the signal  that can be  reliabl y dete c ted (u sing a  dedi cated al g o rithm) i s  the  synchro n ization p r ea mble,  with  whi c h   all tran sm i s si ons be gin. It co nsi s ts of  a dete r mini st ic   seq uen ce of  isolated pul se s use d  by all devic es  that are part  of the same netwo rk (t wo  synchro n ization pre a mbl e s ar e define d  in the stand ard).           Figure 7. IR-UWB b a se d WSN PHY F r ame Fo rmat       The summ ation  of  e nergy con s um ption on  de live r ing   the SP and  PHR (EO )   with  ene rgy  con s um ed on  the payload (EL), is the en ergy  co nsum ption to transmit a packet [16].   The  synchron ization  pream ble ha s val u e s  { - 1,  1 }  a nd i s  received  co here n tly and   PHR i s   modulated using DBPSK, alway s  receiv ed coher ently , and coded i n  the  same  manner as the   payload. The r efore, the ove r hea d ene rgy  con s umptio n  is:                                                                                       Whe r e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     IR-UWB: An Ultra Lo w Po wer  Con s um ption  Wirele ss Com m unica tion… (Ano ua r Da rif)  5705             /            is the fixed base d a ta rate.   The ene rgy consumption f o r the payloa d  can b e  mod e led a s :                                                                                               Whe r e  E   and  E       rep r e s ent the energy consumption to transmit/re c eive the   payload cont aining  L L  information bits , res p ec tively.             Whe r e the ti me du ration  to tran smit the payloa d  co ntaining  L L  bi ts is  T  L /R R ,  and Rc is the  codi ng rate. T he ene rgy co nsum ption to receive L L  information bits   is :                             T   is   t he inter  packet spa c e  (IPS). The po we r co nsumptio n duri ng   T   is mainly due  to the clo c k  gene rato r an d syn c hroni zer. The r ef o r e ,  the co rre sp ondin g  ene rg y con s umptio n at  the trans m itter is  E   P  T  , while the re ceive r  consume s  E   ρ P  T  . We ass u me  that before t r an smi ssi on  or reception  of  a pa cket, the tran smit ter and  re cei v er sp end  T  200 μ s , to go from the off (slee p ) state to a n  on (a ctive) state. Duri n g   this time p e riod, the  transmitter consume s    E   P  T   amount of en e r gy to sta r t the front e nd  clo ck  gene rat o r  and  synchro n i zer. Simila rly, the receiver  con s um es  E   ρ P  T  .  T   is  the time duration for  the tran smission of one pa cket. That is:                            /      The ene rgy consumption s   at the transmi tter and re cei v er duri ng  T   are:                              is  th e time  p e r i o d   w hen  th e  tr an smitte r  lis te ns  fo r  an  ac kn ow le dg e m en t. W e   set   . Overall, the definition s  of the e nergy  con s um ptions within on e  tran smi ssi o n   are   summ ari z ed as  follo ws:        2   2   ,                  2   2                            /             The effective  averag e ene rgy con s umpti on per o ne su ccessful deliv ery can b e   expre s sed a s :  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  569 9 –  5708   5706                           The average  numbe r of transmi ssion s /rece p ti on s re quire d to su cce ssfully deli v er one   packet is N. The avera g e   numbers of transmissio ns       whe r e  P   is the averag e b i t  error probabil i ty (BEP). Th e probability t hat a packet i s  rece ived correctly  is  1           Figure 8. Nod e s’ Power  Co nsum ption Averag e   Figure 9. Nod e s’ Power  Co nsum ption Averag e       Energy wa s  and is an inte restin g issue  that is  still a factor in the d e velopme n t of WSN.  This fa cto r  af fect directly t he lifetime  of the  n e two r k.  The l o w po wer con s ump t ion of the  no de s  netwo rk ba se d on I R -UWB wa s  con c retized  by th e  re sults sho w n in  Figu re  8 an d Fig u re 9,   varying respe c tively the da ta payload  si ze a nd  the  n ode s’ num be r. They sho w  that the po wer   con s um ption  by the WSN node s ba sed on IR-UWB  is rem a rkably less th an the ca se  of  Bluetooth an d Zigbee. Th ey sho w  also that the  value of po wer con s umpti on inrcrese with   increa sing th e data payloa d  size as sho w n in Figu re  8, and increa sing the no de s numb e r in the   (se e  Fig u re  9 ) . The  re sult  sho w n i n  Fig u re  9  is  obtai ned by a  dat a payloa d  fixed at 51 2 byt e s  and varin g  the node s’ num ber.      4.2. Lifetime   Actually [17], the definition  of the netwo rk lifetime d e pend s on th e  application a t  hand.  Indeed, it can  be con s id ere d  as:   a)  The time until  the first node  fails (ru ns o u t  of energy).   b)  The time until  the network i s  disco nne cte d  in two or m o re pa rtition s .  c)  The time until  50% of failed node s.  d)  The mom ent whe n  the first  time a point  in the observ ed area is n o  longe r cove red  by at least a sen s o r  nod e.   In all these  case s, the lifetime is st ron g l y  depend ent on re sid ual e nergy. Acco rdingly, we  focu s on the  energy co nsu m ption  of no des to eval ua te their  lifetime and  con s e quently network  lifetime. In our model, we a s sume the fol l owin g pro perties:  Based  on [18 ], the energy  co st Ci(t ) of a node  N i  at time t is the ra tio of the total energy  con s um ed at time t over the initial batte ry energy. It can be expressed a s  follo ws:                        Since  ene rgy  levels are in itially given  with different  value s , we  wo uld li ke to  no rmali z e   the Cal c ulatio n of the energy cost in the  interval [0, 1]:  a)  C i (t)   =0 mea n s  that the battery of the nod e  Ni  at time t i s  full.  b)  C i (t)   =1 mea n s  that the battery of the nod e  Ni  at time t is depl eted.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     IR-UWB: An Ultra Lo w Po wer  Con s um ption  Wirele ss Com m unica tion… (Ano ua r Da rif)  5707 If the ene rgy  co st of the  g r eedie s t n ode   in term  of e n e rgy  rea c h e s  the value  1  at time t,  we note that i t s battery is e x hauste d and  th is moment  rep r e s ent s the netwo rk life t ime:       / ∈ _  1       In what follo ws, we  will p r e s ent o u r a nal ytical  model t o  pre d ict the  netwo rk lifeti m e. First,   we  will give e nergy  con s u m ption ba si c  equatio ns. Se con d , to pro p o se  a more realisti c analyt ical  model, we wil l  con s ide r  an  unreli able n e twork. Thi r d, we will  con s i der, in ou r an alysis, the m a i n   sou r ces of en ergy co nsum ption, namely   overhea ds, i d le-li s tenin g  and overhea ri ng.      5. Conclusio n   Wirel e ss  co mmuni cation  technol ogie s  emerg e   in the re cent fe w years. The y  provide   large o ppo rtu n ities in term s of low po wer co ns umpti on, high and  low rate, an d  cost re du ction.  IR-UWB  wa s mainly intro duced in th e field  of WSN due to i t s variou s  specifi c ities a nd  advantag es, esp e ci ally  its low po wer  co nsum ption  an d lo w  compl e xity advantag es. In thi s  pa per  we  sho w ed t he impa ct an d the gain  brought by th e  use  of this  new te ch nolo g y in term s of   energy con s u m ption and transmi ssion ti me com pare d  to the Bluetooth and Zig bee. The go od   results in th e ca se of th e WSN b a sed on IR -UWB are  obta i ned du e to the feature s   and   advantag es o f  this ne w technolo g y. We  aim,  as a fut u re  wo rk, to  develop a  ne w ad apted M A C  and ro uting p r otocols that  will be pai red  with this ne w  techn o logy.       Referen ces   [1]  SJ Isaac, GP  Hanck e ,  H Madho o, A Khatri.  A survey of  wireless se nsor  netw o rk appl ic ations fro m  a   pow er utility's d i stributi on pers pective.  AF RIC O N. 2011: 1-5.   [2]  Won Suk J a n g ,  William M  He al yn.  Ass e ssment of P e rfor mance  Metrics f o r Use  of W S N s  in B u il di ngs.   Internatio na l Symp osi u m on  Automatio n  an d Rob o tic in C onstructio n  (ISARC 20 09). 20 09.   [3]  E Prem Kumar Gilbert, B Ka liap e rum a l, E Blessi ng Ra jsi ngh. Res earch  Issues in W i reless Se nso r   Net w ork Ap pl i c ations: A Sur v e y .  Inter natio nal Jo urn a l of  Informati on  a nd El ectronics  Engi neer ing .   201 2; 2(5): 702 -706.    [4]  I Ja w h ar,   N  Moham ed, J  A l -Jaroo di, S  Z h ang. A n   efficie n t frame w o r k f o r a u ton o mou s  un der w a te r   vehicl e e x te nd ed sens or net w o rks for pipe lin e monitor i ng. 2 013; 12 4-1 29.   [5]  W  Deng w e i, L  Yingh ua, Z  Hong xin, C Shu lian g , H Yun a n .  A w i reless sensor n e tw ork based  o n   Bluetooth for telem e di cine monitoring  system.  IEEE International S y mposiu m on M i cro w av e, Antenna,   Propa gati on an d EMC T e chnologi es for W i rel e ss Commu nic a tions. 20 05; 2 :  1361-1 3 6 4 .  [6]  MAR Chaudhry ,  MI Sheikh.  Protocols stac k & conn ectio n  estab lish m e n t in Bl ueto o th rad i o.  IE EE  Procee din g s Stude nts Confer ence. 20 02;   1: 48 – 55.   [7]  B Mih a jl ov, M  Bog d a noski.  Overvie w   an d  Ana l ysis  of t he  performa nc e of Z i gb ee  b a sed  W i rel e ss   Sensor N e t w or .  Internation a  Journ a l of Co mputer App lic ations . 201 1; 29( 12): 28-3 5 .  [8]  A Cun ha, A K oub aa, R S e v e rin o , M Alves .  Open-Z B : an  ope n-so urce i m p l e m e n tatio n  of the IEE E   802.1 5 .4/Z igBe e pr otoco l  stac k on  T i nyOS.  I n  Intern aton al   Confer ence  o n  Mob ile  Ad hoc  an d S ens or   S y stems. 20 07 ; 1-12.   [9]  L Jia n p o , Z   Xu nin g , T  Ning,  S Jishe ng.  Stu d y o n  Z i gB ee  netw o rk arch itecture  and  rou t ing  alg o rit h m   the 2nd Inter n a t iona l Conf eren ce on Sig n a l  Processi ng S y ste m s. 2010; 38 9- 393.   [10]  S W a il Nouri l d ean. A Lectur e r.  A Stud y  of Z i gBe e  Net w ork   T opolo g ies for  W i reless Sen s or Net w or k   w i t h  On e C oor din a tor a nd M u ltiple  C oord i nat ors.  T i krit Jour nal  of En gin eer ing  Scie nces .  2 012; 19(4): - 65-8 1 .  [11]  A Lazaro, D Gi rbau, R Vil l ari n o.  Analysis  of Vital Sig n s Mo nitori ng Usi ng  an IR-UW B  Ra dar.  Progres s   In Electromag n e tics Rese arch . 2010; 26 5-28 4.  [12]  P Alpana A d s u l, K Shr i kant  Bodhe.  Perfor mance Comparison  of BPSK, PPM and  PP V Modulation  Based IR- U W B  Rece iver Us i ng W i d e  Ba nd  LNA.  Internati ona l Jour na l of  Co mp uter T e c hno logy  an d   Appl icatio ns . 2 012; 3(4): 1 532 -153 7.  [13]  GS Biradar, SN Mercha nt, UB Desa i. F r eque nc y   an d T i me Hop p in g P P M UW B Multiple Acc e ss   Commun i cati o n  Scheme.  Jo u r nal of Co mmu nicati ons . 20 09 ; 4(1): 14-19.   [14]  IEEE 802.1 5 . 4 -20 06 St and ard for I n for m ation  techn o l og y  T e lec o m m unic a tions  a nd i n formati on   exc h a n g e  b e t w een  s y stems-  Loca l  a n d  metr opo litan   ar ea  n e t w o r ks- S peci f ic req u irem ent s Part 1 5 .4:  W i reless Me di um Access C ontrol (MAC)  and P h ysica l  La yer (PHY)  Specific ations  for Lo w - R a t e   Wireless Pers onal Area Net w orks (WPAN s). IEEE Computer Societ y .  2006.  [15]  L Ya nj un, C  C hun g S hue,  S  Ye-Qion g , Z  W ang,  M e mb er,  S You x ia n. En hanc ing  R eal- T ime Deliv e r y  in W i re less  Se nsor  Net w orks   w i t h  T w o- Ho p I n formatio n .  IEEE Transactions on Industrial Infor m atics .   200 9;   5(2): 113 -122.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  569 9 –  5708   5708 [16]  E Ir w a n Sha h   Saad on, J Abd u lla h, N Ismail.   Evaluati ng th e  IEEE 802.15. 4a  UWB Physi cal Lay er for   W S N Applic ati ons.  IEEE S y m posi u m on Wir e less T e chnol o g y   and Ap pl ica t ions. 201 3; 22 -25.  [17]  R Khed ikar, A Kapur, Y Surv ansh i . Maximiz i ng a L i fetime  of W i reless Se nsor Net w o r k b y  Sch edu li ng.   Internatio na l Journ a l of Co mput er Scie nce  and T e l e co mmunic a tions . 2 0 1 1 ; 2(8): 1-6.  [18]  SC Erge n, P  Varai y a. E ner g y  Efficient  R outin g  w i t h  D e la y Guar ante e  for Sens or N e t w o r ks.  ACM   Wireless Networks Journal . 2 007; 13( 5): 679 -690.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.