I nte rna t io na l J o urna l o f   I nfo r m a t ics a nd   Co mm u n ica t io n T ec hn o lo g y   ( I J - I CT )   Vo l.   3 ,   No .   3 Octo b e r   2 0 1 4 ,   p p .   1 29 ~1 4 3   I SS N:  2252 - 8776          129       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J I C T   Perf o r m a nce  Indi ca tors  f o r Wi reles s Intellig ent  Sens o rs   A pp lica tions       Sa a d Cha kk o r   * ,   E l A h m a di  Chei k h   * ,   M o s t a f a   B a g ho uri   * ,   Abderra h m a ne  H a j ra o ui *   *   Un iv e rsit y   o f   A b d e l m a lek   Ess a â d i,   F a c u lt y   o f   S c ien c e s,  De p a rtme n o f   P h y sic s,    Co m m u n ica ti o n   a n d   De tec ti o n   S y ste m s L a b o ra to ry ,   T e to u a n ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l   12 ,   2 0 1 4   R ev i s ed   Sep   2 1 ,   2 0 1 4   A cc ep ted   Sep   26 ,   2 0 1 4       T h e   m e tro lo g y   tec h n o lo g y   h a b e e n   e v o lv e d   so   m u c h   w it h   th e   w irele s s   se n so in tell ig e n sy ste m p ro v id i n g   m o re   c a p a b il it ies   in   term   o f   p ro c e ss in g ,   re m o te  m u lt i - se n sin g   f u sio n   a n d   sto ra g e .   T h is  k in d   o f   sy ste m c a n   b e   u se d   i n   m a n y   t y p e o f   e n v iro n m e n ts.   Th e   m o n it o ri n g   is  o n e   o f   th e   m o st  u se d .     Ho w e v e r,   v a rio u d e sig n   c h a ll e n g e f o w irele s in telli g e n se n so rs  s y ste m s   a re   i m p o se d   to   o v e rc o m e   th e   p h y sic a li m it a ti o n s.  Co m m u n ica ti o n   in   se n so r   n e tw o rk   sh o u ld   b e   a s   e ff icie n a p o ss ib le,  e sp e c ially   f o a p p li c a ti o n re q u iri n g   sp e c if ic  p e rf o r m a n c e s .   T h is  p a p e r   a n a ly z e th e   p e rf o r m a n c e   in d ica to rs  o f   th e   se n sin g   d e v ice s y ste m w h ich   sta n d   f o r   su p e rio r   m e a su re m e n t,   m o re   a c c u ra c y   a n d   re li a b il i ty .   S tu d y   f in d in g p re sc rib e   re se a rc h e rs,  d e v e lo p e rs/  e n g in e e rs  a n d   u se rs  to   re a li z in g   a n   e n h a n c e d   se n sin g   m o tes   d e sig n   stra te g y   th a o ff e rs  o p e ra ti o n a a d v a n tag e w h ich   c a n   g iv e   c o st - e ffe c ti v e   so lu ti o n s f o a n   a p p l ica ti o n .   K ey w o r d :   A p p licatio n s   E n er g y   co n s u m p tio n     I n telli g en t s en s o r s   P er f o r m a n ce   in d icato r s   W ir eless   co m m u n icatio n s   Co p y rig h ©   2 0 1 4   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Saad   C h a k k o r .     E m ail:  s aa d c h ak k o r @ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   W ir eless   tec h n o lo g ies  h a v m ad s ig n i f ica n p r o g r ess   i n   r ec en y ea r s ,   allo w i n g   m a n y   ap p licatio n s   in   ad d itio n   to   tr ad itio n al   v o ice  co m m u n icatio n s   a n d   t h tr an s m i s s io n   o f   h i g h - s p ee d   d ata  w it h   s o p h i s ticated   m o b ile   d ev ice s   a n d   s m ar o b j ec ts .   I n   f ac t,  t h e y   a ls o   c h an g ed   th e   f ield   o f   m e tr o lo g y   e s p ec iall y   t h s en s o r   n et w o r k s   an d   th s m ar s en s o r s .   T h estab lis h m en o f   a n   i n telli g e n s e n s o r   s y s te m   r eq u i r es  th i n s er tio n   o f   w ir ele s s   co m m u n icatio n   w h i ch   h a s   ch a n g ed   th w o r ld   o f   telec o m m u n icatio n s .   I ca n   b u s ed   in   m an y   s itu a tio n s   w h er m o b ili t y   i s   ess en tial  an d   t h w ir es  ar e   n o p r ac tical.   T o d ay ,   th e m er g e n ce   o f   r ad io   f r eq u en c y   w ir eles s   tech n o lo g i es   s u g g e s ts   t h at  th e x p en s iv w ir in g   ca n   b r ed u ce d   o r   e li m i n ated .   Var io u s   tech n o lo g ies  h a v e m er g ed   p r o v id in g   co m m u n icatio n   d if f er en tl y .   T h is   d i f f er e n ce   lie s   i n   t h q u al it y   o f   s er v ice   an d   in   s o m co n s tr ain t s   r elate d   o n   th ap p licatio n   an d   it e n v ir o n m e n t.  T h m ai n   co n s tr ai n t s   to   b o v er co m i n   ch o o s in g   w ir eles s   tech n o lo g y   r ev o lv ar o u n d   th f o llo w i n g   co n d itio n s   [ 1 ] ,   [ 2 ]   a.   R an g   b.   R eliab ilit y   c.   B an d w id t h   d.   co n f o r m i t y   ( s ta n d ar d s )   e.   Secu r it y   f.   C o s t   g.   E n er g y   co n s u m p tio n   h.   Sp ee d   an d   tr an s m is s io n   t y p ( s y n ch r o n o u s ,   as y n ch r o n o u s )   i.   Net w o r k   ar ch itect u r ( to p o lo g y )   j.   E n v ir o n n e m e n t ( n o is e,   o b s tacl es,  w ea t h er ,   h y p s o m e tr y )   I n   th i s   w o r k ,   w s t u d ies  u s i n g   co m p ar ati v an al y s is ,   t h d if f er en p ar a m eter s   w h ich   i n f l u en ce   t h e   p er f o r m a n ce   an d   th e   q u alit y   o f   a   w ir eles s   co m m u n icatio n   s y s te m   b a s ed   o n   in telli g en s e n s o r s   ta k in g   in to   o u r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8776   IJ - I C T   Vo l.  3 ,   No .   3 Octo b e r   201 4   :   1 29     14 3   130   co n s id er atio n   t h co s a n d   ap p licatio n   r eq u ir e m en ts .   W ca n   cla s s i f y   t h r eq u ir e m en ts   o f   ap p licatio n s   u s in g   s m ar t se n s o r s   in to   t h r ee   m ai n   ca teg o r ies as s h o w n   in   tab le  1 .       T ab le   1 .   N ee d s   b ased   ap p licati o n s   Ty p e s    o f   a p p l i c a t i o n   S p e c i f i c a t i o n s   a n d   N e e d s   En v i r o n me n t a l   mo n i t o r i n g     M e a su r e me n t   a n d   r e g u l a r   se n d i n g       F e w   d a t a     L o n g   b a t t e r y   l i f e     P e r man e n t   c o n n e c t i o n   Ev e n t   d e t e c t i o n     A l e r t   me ssag e     P r i o r i t y       C o n f i r ma t i o n   s t a t u s     F e w   d a t a     P e r man e n t   c o n n e c t i o n   T r a c k i n g     M o b i l i ty     F e w   d a t a     L o c a l i z a t i o n     P e r man e n t   c o n n e c t i o n       Sectio n   2   p r ese n t h r ela ted   w o r k s   r ea lized   i n   t h i s   co n te x t.   Ho w e v er   s ec tio n   3   s u m m ar iz e   th m ai n   co n s tr ain ts   o f   i n tell ig e n s e n s o r   s y s te m s .    Mo r eo v er ,   i n   s ec tio n   4   t h p er f o r m an ce   in d icat o r s   ar e   d ef i n ed   an d is cu s s ed ,   in   s o m e   ca s e s ,   co m p ar ed   w i th   th o s e   d er iv ed   f r o m   t h eo r etica as  w ell  a s   s i m u latio n   an al y s i s   r esu lt s .   Sectio n   5   p r o v id es   p er f o r m a n ce   co m p ar is o n   o f   t h p o p u lar   s en s o r   m o tes.   Fi n all y ,   s ec tio n   6   co n clu d e s   th p ap er   an d   o u tlin e s   s o m f u tu r d ir ec t io n s   o f   r esear c h .       2.   RE L AT E D   WO RK   I n   th r elate d   w o r k ,   m a n y   r es ea r ch   s t u d ies  i n   [ 3 - 8 ]   h av b e en   f o c u s ed   o n   w ir eles s   s e n s o r   n et w o r k s   to   i m p r o v co m m u n icatio n   p r o to co ls   in   o r d er   to   s o lv th e n er g y   co n s tr ai n t,  to   in cr ea s t h lev el  o f   s ec u r i t y   an d   p r ec is io n   a n d   to   e x p an d   au to n o m y   f o r   ac c u r ac y ,   f ea s i b ilit y   a n d   p r o f itab ilit y   r ea s o n s .   On   t h o t h er   s id e,   th f ield   o f   i n telli g e n s en s o r s   r e m ain s   f er tile  a n d   o p en s   its   d o o r s   to   r esear ch   an d   in n o v atio n ,   it  is   tr u e   tech n o lo g ical  ch a llen g i n   s o   f ar   as  th to p o lo g y   a n d   th i n f r a s tr u ct u r o f   t h s y s te m s   b ased   o n   in tell ig e n t   s en s o r s   ar g r ea tl y   d if f er en c o m p ar ed   to   w ir eles s   s e n s o r   n et w o r k s ,   p ar ticu lar l y   i n   ter m s   o f   s ize  ( n u m b er   o f   n o d es)  an d   r o u tin g .   I n   f ac t,  to   p r eser v th q u alit y   o f   t h ese  n et w o r k s ,   it  is   v er y   d if f ic u lt  e v en   in co n ce iv ab le  to   r ep lace   r eg u lar l y   t h f a u lt y   n o d es,  w h ic h   w o u ld   r es u lt   in   h ig h   co s o f   m ai n ten a n ce .   T h co n ce p o f   en er g y   ef f icien c y   ap p ea r s   th er ef o r in   co m m u n icatio n   p r o to co ls ,   [ 5 - 9 ] .   T h u s ,   it  is   v er y   u s ef u to   s ea r ch   th e   o p tim izatio n   o f   d ata  r o u t in g   an d   to   li m it  u n n ec e s s ar y   d at s en d i n g   an d   t h co lli s io n s   [ 6 ] ,   [ 9 ] .   T h aim   ch alle n g f o r   in te lli g en s e n s o r s   s y s te m s   i s   to   o v er co m t h p h y s ical  li m itatio n s   i n   d ata  tr a f f ic  s u ch   a s   s y s te m   n o is e,   s i g n a atten u atio n ,   r esp o n s d y n a m ic s ,   p o w er   co n s u m p t io n ,   an d   ef f ec ti v co n v er s io n   r ates  etc…  T h is   p ap er   em p h asi s   o n   t h p er f o r m an ce   i n d icato r s   f o r   w ir eles s   p r o to co ls   w h ich   s ta n d s   f o r   s u p er io r   m ea s u r e m e n t,  m o r e   ac cu r ac y   a n d   r eliab ilit y .   T h o b j ec t o f   th is   s t u d y   i s   f o r   r ea lizin g   a n   ad v a n ce d   i n telli g e n s en s o r s   s tr ate g y   th at  o f f er s   m an y   s y s te m   e n g i n ee r in g   an d   o p er atio n al  ad v an tag es  w h ic h   ca n   o f f er   co s t - e f f ec tiv s o l u tio n s   f o r   an   ap p licatio n .       3.   NE CO NS T RA I N T S O F   I NT E L L I G E NT   S E NSO S YST E M S     An   i n tel lig e n t   s e n s o r   i s   a n   el ec tr o n ic  d ev ice   f o r   ta k i n g   m e asu r e m en t s   o f   a   p h y s ical   q u a n tit y   a s   a n   elec tr ical  s i g n al,   it  in te lli g en c lie  i n   t h ab ilit y   to   c h ec k   t h co r r ec ex ec u tio n   o f   m etr o lo g y   al g o r ith m ,   i n   r e m o te  co n f i g u r ab ilit y ,   i n   i ts   f u n c tio n s   r elati n g   to   t h s a f et y ,   d iag n o s i s ,   co n tr o a n d   c o m m u n icatio n .   T h in telli g e n t se n s o r   ca n   b s ee n   co n s is tin g   o f   t w o   p ar ts   [ 10 - 13 ]:   1)   A   m ea s u r i n g   c h ain   co n tr o lled   b y   m icr o co n tr o ller   2)   A   b id ir ec tio n al  co m m u n icatio n   in ter f ac w i th   t h n et w o r k ,   p r o v id in g   th co n n ec tio n   o f   th s en s o r   to   a   ce n tr al  co m p u ter   T h co m m u n icatio n   p ar r e f le cts  a ll   t h i n f o r m atio n   co llect ed   b y   a n   i n tell ig e n t   s e n s o r   a n d   allo w s   t h e   u s er   to   co n f i g u r th s e n s o r   f o r   o p er atio n .   I is   th er ef o r ab s o lu tel y   es s e n tial  t h at  t h i s   i n te r f ac b r o b u s a n d   r eliab le.   F ig u r 1   ill u s tr ates   t h i n tell ig e n t   s e n s o r   w it h   its   w ir ele s s   co m m u n ica tin g   co m p o n en t.  v ar ie t y   o f   co m m u n icatio n   i n ter f ac e s   ( w i r eless   m o d u les)   is   a v ailab le,   b u n o t   all  s en s o r s   s u p p o r th ese  i n ter f ac e s .   T h e   d esig n er   m u s s elec an   i n ter f ac th at  p r o v id es  th b est  in te g r atio n   o f   th s e n s o r   w ith   t h o th er s   co m p o n en t s   o f   th s y s te m   tak in g   in   o u r   ac co u n t h co s ts   an d   th co n s tr ai n ts   o f   r eliab ilit y   r eq u ir ed   f o r   p ar ticu lar   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - I C T     I SS N:  2252 - 8776       I n fo r ma n ce   I n d ica to r s   fo r   W i r eless   …  ( S a a d   C h a kk o r )   131   ap p licatio n .   T h er ar o th er s   s o lu tio n s   to   co llect  r e m o te  m ea s u r e m en t s   s u c h   m o b ile  an d   s ate llit e   co m m u n icatio n s .   T h m ai n   p r o b lem s   r elate d   to   th q u a lit y   o f   co m m u n icatio n s   ar e:  at t en u at io n   p r o b le m s   ( d is tan ce ,   o b s tacle s ,   r ain   . . . ) ,   in ter f er en ce   a n d   m u ltip ath .   T h r ea lizatio n   o f   th s y s tem s   b ased   o n   s m ar t   s en s o r s   d ed icate d   to   th ap p li ca tio n s   m e n tio n ed   in   s ec tio n   I ,   r eq u ir es  th tech n iq u e s   an d   th p r o to c o ls   th at  tak in to   ac co u n t t h f o llo w i n g   co n s tr ai n t s   [ 3 ]:   a.   T h n o d es a r d ep l o y ed   in   h i g h   n u m b er s   b.   A t a n y   t i m e,   t h n o d es  m a y   b e   f au l t y   o r   in h ib ited   c.   T h to p o l o g y   ch a n g es v er y   f r e q u en tl y   d.   T h co m m u n icatio n   is   b r o ad ca s t .           Fig u r 1 .   B lo ck   d iag r a m   o f   an   in tel li g e n t se n s o r   co m m u n ica tio n       I n   o th er   w a y ,   t h i n telli g e n s e n s o r s   h a v b en e f its   li k ad - h o to p o lo g y   w h ich   i s   ea s y   to   d ep lo y ,   lo w   co s t,  s en s in g   ca p ab ilit ie s   in   d if f icu lt  en v ir o n m e n t.  R e g ar d i n g   t h eir   c h alle n g e s   t h e y   ar li m ited   i n   en er g y ,   i n   co m p u ti n g   ca p ac it y ,   i n   s ize  o f   s en s o r s   an d   i n   m e m o r y .   T h e y   n ee d   also   s ec u r it y   i n   ter m   o f   d ata  co n f id en tialit y   an d   tec h n o lo g y .   Fo r   ad - h o n et w o r k s ,   e n er g y   co n s u m p t io n   w a s   co n s id er ed   as  a n   a i m   f ac t o r   b u n o t   es s en t ial   b ec au s e n er g y   r eso u r ce s   ca n   b r ep lace d   b y   t h u s er .   T h ese   n et w o r k s   ar m o r f o cu s ed   o n   t h Qo S   t h an   th e   en er g y   co n s u m p tio n .   C o n tr ar i w i s e,   i n   s en s o r   n e t w o r k s ,   th e   tr an s m i s s io n   t i m e   a n d   en er g y   co n s u m p tio n   ar e   t w o   i m p o r ta n t p er f o r m a n ce   m etr ics s i n ce   g e n er all y   t h s e n s o r s   ar d ep l o y ed   in   v ast i n ac ce s s ib le  ar ea s .       4.   P E RF O RM ANCE INDI CA T O RS   I n telli g en ts   w ir eless   s e n s o r   n e t w o r k s   ar d i f f er en t   f r o m   t h t r ad itio n al   co m m u n icatio n   n et w o r k s ,   a n d   th er ef o r d i f f er e n p er f o r m an ce   m ea s u r es   m a y   also   b r eq u ir ed   to   ev a lu ate   t h e m .   Am o n g   t h e m   ar t h Qo S   m etr ics.  So m ap p licat io n s   in   W SNs   h av r ea l - ti m p r o p er ties .   T h ese   ap p licatio n s   m a y   h a v Qo S   r eq u ir e m en ts   s u ch   as   d ela y ,   lo s s   r atio   a n d   b a n d w id th .   T h i s   s ec tio n   d escr ib es   th e   d if f er e n cr iter ia   to   ev al u at e   th p er f o r m a n ce   o f   w ir eles s   co m m u n icatio n   f o r   in tel lig e n s en s o r s   s y s t e m s .     1 . 1 .   Net w o rk   Size  a nd   T o po lo g y   T h s ize   an d   th to p o lo g y   o f   s en s o r s   n et w o r k   ca n   b ad o p t ed   ac co r d in g   to   d if f er en t s   a p p licatio n   r eq u ir e m en ts   s u ch   as   d ata  p ac k ets  s ize  d u r i n g   tr a f f ic,   tr an s m is s io n   p r o to co ls   i m p le m e n te d ,   in ter f er en ce s   a n d   d i m en s io n s   o f   th e   m o n ito r ed   ar ea .   T a b le   2   s u m m ar ize s   t h m ai n   d if f er e n ce s   i n   s ize  a n d   i n   to p o lo g y   b et w ee n   th m e n tio n ed   p r o to co ls .       T ab le  2.     N et w o r k   s ize  a n d   b asic to p o lo g y   P r o t o c o l   B l u e t o o t h   U W B   Z i g B e e   Wi - Fi   Wi - M a x   G P R S   B a si c   C e l l   P i c o n e t   P i c o n e t   S t a r   B S S   S i n g l e   C e ll   S i n g l e   C e l l   Ex t e n si o n   o f   t h e   B a s i c   C e l l   S c a t t e r n e t   P e e r   to   P e e r   C l u st e r   t r e e ,   M e sh   ESS   P T M P ,   P T C M ,   M e sh   C e l l   S y st e m   M a x   n u mb e r   o f   C e l l   N o d e s   8   2 3 6   >   6 5 0 0 0   2 0 0 7   1 6 0 0   1 0 0 0         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8776   IJ - I C T   Vo l.  3 ,   No .   3 Octo b e r   201 4   :   1 29     14 3   132   1 . 2 .   T ra ns m i s s io n T i m e   T h tr an s m is s io n   ti m d ep en d s   o n   th d ata  r ate,   th m ess ag e   s ize,   an d   th d is tan ce   b et w ee n   t w o   n o d es.  T h f o r m u la  o f   tr an s m i s s io n   t i m i n   ( µs)   ca n   b d escr ib ed   as f o llo w s :     d a t a t x d a t a o v h d m a x P l d N T N N N b i t p r o p TT          ( 1 )       N data   th d ata  s ize   N m ax Pld   th m a x i m u m   p a y lo ad   s ize   N ov h d   th o v er h ea d   s ize   T bit   th b it ti m e   T prop   th p r o p ag atio n   ti m b et w ee n   t w o   n o d es to   b n eg lecte d   in   t h is   p ap er     Fro m   t h f i g u r e   2 ,   it i s   n o ted   t h at  t h tr an s m i s s io n   ti m e   f o r   t h G SM/GP R S   is   lo n g er   t h an   th o t h er s ,   d u to   its   lo w   d ata  r ate  ( 1 6 8   Kb /s )   an d   it s   lo n g   r a n g e   r ea s o n s ,   w h ile  UW B   r eq u ir es  les s   tr an s m is s io n   t i m e   co m p ar ed   to   th o th er s   b ec au s o f   its   i m p o r tan d ata  r ate.   I t   clea r l y   s h o w s   t h at  th r eq u ir e d   tr an s m i s s io n   ti m e   is   p r o p o r tio n al  to   th d ata  p ay l o ad   s ize  N data   an d   it is   n o t p r o p o r tio n al  to   th m a x i m u m   d at r ate.       T ab le   3.   T y p ical  p ar am eter s   o f   w ir eles s   p r o to co ls   P r o t o c o l   M a x   d a t a   r a t e   ( M b i t / s)   B i t   t i me   ( μs)   M a x   d a t a   p a y l o a d   ( b y t e s)   M a x   o v e r h e a d   ( b y t e s)   C o d i n g   e f f i c i e n c y +   ( %)   B l u e t o o t h   0 . 7 2   1 . 3 9   3 3 9   x   1 5 8 / 8   9 4 . 4 1   U W B   1 1 0   0 . 0 0 9   2 0 4 4   42   9 7 . 9 4   Z i g B e e   0. 2 5   4   1 0 2   31   7 6 . 5 2   Wi - Fi   54   0 . 0 1 8 5   2 3 1 2   58   9 7 . 1 8   Wi - M a x   70   0 . 0 1 4 3   2 7 0 0   40   9 8 . 5 4   G P R S   0 . 1 6 8   5 . 9 5   1 5 0 0 *   52 *   8 0 . 8 6   +   W h e r e   t h e   da ta  i s   10  K b y tes .                       *   F or   T C P / I P   P r otoco l        x   DH 5       T h ty p ical  p ar a m eter s   o f   th d if f er e n w ir eles s   p r o to co ls   u s ed   to   ev alu ate  th t i m o f   tr a n s m i s s io n   ar g iv e n   in   t ab le  3 .         Fig u r 2 .   C o m p ar is o n   o f   tr a n s m is s io n   ti m r elati v to   th d a ta  s ize       1 . 3 .   T ra ns m i s s io P o w er   a nd   Ra ng e   I n   w ir eless   tr a n s m i s s io n s ,   th r elatio n s h ip   b et w ee n   t h r ec eiv ed   p o w er   an d   th tr a n s m itted   p o w er   i s   g iv e n   b y   t h Frii s   e q u atio n   a s   f o llo w s   [ 1 ] ,   [ 3 3 ] ,   [ 36 - 4 0] :     2 r tr t P GG P 4 D                                               (2 )   0 2000 4000 6000 8000 10000 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 10 6 D a t a   P a y l o a d   S i z e   ( B y t e s ) Tr a n s m i s s i o n   Ti m e   ( µ s )     B l e u t o o t h U W B Zi g B e e W i - Fi W i - M a x G S M / G P R S Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - I C T     I SS N:  2252 - 8776       I n fo r ma n ce   I n d ica to r s   fo r   W i r eless   …  ( S a a d   C h a kk o r )   133   P t   th tr an s m itted   p o w er   P r   th r ec eiv ed   p o w er   G t   th tr an s m itti n g   o m n i b asic a n ten n g ai n   G r   th r ec eiv i n g   an te n n g ai n   D   th d is ta n ce   b et w ee n   t h t w o   a n ten n a s   λ   th w av e len g t h   o f   t h s i g n a l     Fr o m   ( 2 )   y ield s   th f o r m u la  th r an g o f   co v er a g as  f o llo w s :     r t t r 1 D P 4 P G G                                             ( 3 )     W n o te  th at  as  th f r eq u e n c y   i n cr ea s e s ,   th r an g d ec r ea s es.  T h f ig u r e   3   s h o w s   t h v ar iatio n   o f   s ig n al  r an g b ased   o n   th tr an s m i s s io n   f r eq u e n c y   f o r   f ix e d   p o w er .   T h m o s r ev ea lin g   ch ar ac ter is tic  o f   t h is   g r ap h   i s   t h n o n - li n ea r it y .   T h e   s i g n al s   o f   GSM/ GP R S   w i th   9 0 0 MH p r o p ag ate  m u c h   b ette r   th an   Z ig B ee ,   W i - Fi,  B lu eto o th   w it h   2 . 4 GHz   an d   UW B   w it h   3 . 1 GHz   v ice  to   v ice  co v er ag ar ea .         Fig u r 3 .   R an g ev o l u tio n   a cc o r d in g   to   th tr an s m is s io n   f r eq u en c y       1 . 4 .   E nerg y   Co ns u m ptio n     T h en er g y   co n s u m p tio n   f o r   in tel lig e n s en s o r   in v o l v es  t h r ee   s te p s :   ac q u i s itio n ,   co m m u n icat io n ,   co m p u tatio n   a n d   d ata  ag g r eg atio n .   T h is   co n s u m p tio n   i n   t h ac q u is i tio n   o p er atio n   d ep en d s   o n   t h n at u r o f   th ap p licatio n   [ 3 ] .   Data   tr af f ic,   p ar t icu lar l y   i n   th tr an s m is s io n ,   co n s u m es  m o r en e r g y   th a n   t h o th er   o p er atio n s .   I also   d ep en d s   o n   th d is tan ce   b et w ee n   t h tr an s m itter   a n d   r ec eiv er   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   A cc o r d in g   to   t h e   r ad io   en er g y   m o d el,   [ 6 ] ,   [ 38 - 4 4 ]   th tr an s m is s io n   p o w er   o f   k   b it  m es s ag to   d is ta n ce   d   is   g i v en   b y :     2 0 4 0 . . . E, . . . f s E l e c TX a m p E l e c k d k E d d kd k d k E d d                             ( 4 )     0 fs a m p d                                 ( 5 )     E Elec   elec tr o n ic  en er g y   ε fs , ε am p       a m p li f icatio n   e n er g y     T h elec tr o n ic  en er g y   E Elec   d e p en d s   o n   s e v er al  f ac to r s   s u ch   as  d ig it al  co d i n g ,   m o d u latio n ,   f ilter i n g ,   an d   s ig n al  p r o p ag atio n ,   w h ile  th a m p li f ier   en er g y   d ep en d s   o n   th d is ta n ce   to   th r ec eiv er   an d   th ac ce p tab le  b it  er r o r   r ate.   I f   th m e s s a g s ize  an d   t h r an g o f   co m m u n icatio n   ar f i x ed ,   th e   r eq u ir e d   en er g y   to   co v er   g iv e n   d is ta n ce   in cr ea s es.  W ca n   s a y   t h at  an   i n cr ea s in   d ata  p ac k et  s ize  allo w s   t h e n   an   in cr ea s o f   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8776   IJ - I C T   Vo l.  3 ,   No .   3 Octo b e r   201 4   :   1 29     14 3   134   tr an s m is s io n   e n er g y .   E q u atio n s   ( 4 )   an d   ( 5 )   ca n   b g en er alize d   f o r   th all  w ir eless   m e n tio n ed   p r o to co ls .   T h s i m u lat io n   p ar a m eter s   ar g i v en   in   tab le  4 .       T ab le   4.   T h s im u latio n   p ar a m eter s   P a r a me t e r s   V a l u e   E E l e c   5 0   n J / b i t   ε fs   1 0   p J / b i t / m 2   ε amp   0 . 0 0 1 3   p J/ b i t / m 4       T h p r ed icted   r ec eiv ed   p o w er   b y   a n   i n tell ig e n s en s o r   f o r   ea ch   d ata  p ac k et   ac co r d in g   to   th e   co m m u n icatio n   r an g d   is   g iv en   b y   th T w o - R a y   Gr o u n d   an d   th Friss   f r ee   s p ac m o d el s   [ 3 ] ,   [ 35 ] ,   [ 40 ]   as  f o llo w s :     2 2 22 4 4 P t t r c r t t r t r c P G G dd dL d P G G h h dd d                              ( 6 )     4 rt c L h h d                                      ( 7 )     L     th p ath   lo s s   h t   th h ei g h t o f   t h tr an s m itter   a n ten n a   h r   th h ei g h t o f   t h r ec eiv er   an te n n a   d   th d is ta n ce   b et w ee n   tr a n s m itt e r   an d   r ec eiv er     T h f ig u r 4   illu s tr ate s   th e v o lu tio n   o f   th e n er g y   co n s u m p ti o n   f o r   Z i g B ee   p r o to co l b ased   o n   th s ig n al  r an g e.         Fig u r e   4 .   T h en er g y   co n s u m p tio n   d ep en d in g   o n   th s i g n al  r an g e       T h f i g u r 5   s h o w s   t h e v o l u tio n   o f   th e   r ec ep tio n   p o w er   b a s ed   o n   t h s i g n al   r an g f o r   d if f er e n t   s tu d ied   p r o to co ls   an d   f o r   f ix ed   d ata  p ac k et  s ize:               0 20 40 60 80 100 2 4 6 8 10 12 14 16 x   1 0 -4 R a n g e   ( m ) E n e r g y   ( J )     k = 5 1 2   B y t e s k = 1 0 2 4   B y t e s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - I C T     I SS N:  2252 - 8776       I n fo r ma n ce   I n d ica to r s   fo r   W i r eless   …  ( S a a d   C h a kk o r )   135   T ab le   5.   T h s im u latio n   p ar a m eter s   P a r a me t e r s   V a l u e   L   1   G t =G r   1   h t =h r   1 . 5   m       P r o t o c o l s   T r a n smit t e d   P o w e r   ( W a t t )   B l u e t o o t h   0 . 1   U W B   0 . 0 4   Z i g B e e   0 . 0 0 6 3   Wi - Fi   1   Wi - M a x   0 . 2 5   G S M / G P R S   2       A cc o r d in g   to   th i s   f i g u r e,   it  i s   n o ted   th a w h en   t h d is tan ce   b et w ee n   t h tr a n s m it ter   an d   t h r ec ei v er   in cr ea s es,  t h r ec eiv ed   p o w er   d ec r ea s es,  th is   is   j u s t if ied   b y   t h p o w er   lo s s   in   t h p ath .   T h Z ig B ee ,   UW B   an d   B lu eto o th   h av e   lo w   p o w er   co n s u m p t io n   w h ile   Wi - Ma x ,   W i - Fi   an d   GP R ab s o r b   m o r p o w er   d u to   t h eir s   h ig h   co m m u n icatio n   r a n g r ea s o n .         Fig u r e   5 .   T h r ec eiv ed   p o w er   d ep en d in g   o n   t h s i g n al  r an g w it h   f i x ed   m es s ag s ize       1 . 5 .   Chip s et   P o w er   Co ns u m ptio n   T o   c o m p ar p r ac ticall y   t h p o w er   co n s u m p tio n ,   w e   ar p r esen ts   in   th e   tab le   6   t h d etailed   r ep r esen tativ e   ch ar ac ter is tics   o f   p ar ticu lar   ch ip s e f o r   ea ch   p r o to co [ 4 4 - 4 9 ] .   T h f ig u r e   6   s h o w s   t h e   co n s u m p tio n   p o w er   i n   ( m W )   f o r   ea ch   p r o to co l.  Ob v io u s l y   w e   n o te   th a B l u eto o th   a n d   Z i g B ee   co n s u m less   p o w er   co m p ar ed   to   UW B ,   W i - Fi,  Wi - Max   a n d   GP R co n n ec tio n .   T h d if f er en ce   b et w e en   t h tr an s m is s io n   p o w er   an d   r ec ep tio n   p o w er   f o r   th p r o to co ls   GP R an d   Wi - Max   i s   j u s ti f ied   b y   t h p o w er   lo s s   d u to   t h e   atten u atio n   o f   th s ig n al  i n   th e   co m m u n i ca tio n   p at h   s i n ce   b o th   o f   t h ese  p r o to co ls   h av lar g co v er ag ar ea .       T ab le   6.   P o w er   co n s u m p t io n   c h ar ac ter is tic s   o f   ch ip s ets   P r o t o c o l s   C h i p se t   V DD   ( v o l t )   I T X   ( mA )   I RX   ( m A )   B i t   r a t e   ( M b / s)   B l u e t o o t h   B l u e C o r e 2   1 . 8   57   47   0 . 7 2   U W B   X S 1 1 0   3 . 3   ~ 2 2 7   ~ 2 2 7   1 1 4   Z i g B e e   C C 2 4 3 0   3 . 0   2 4 . 7   27   0 . 2 5   Wi - Fi   C X 5 3 1 1 1   3 . 3   2 1 9   2 1 5   54   Wi - M a x   A T 8 6 R F 5 3 5 A   3 . 3   3 2 0   2 0 0   70   G P R S   S I M 9 0 0 A   3   3 5 0 *   2 3 0 *   0 . 1 6 4 *     F or   GSM   900    DA T A   m ode ,   GPR S   (   R x , T x   )       B ased   o n   th d ata  r ate  o f   ea ch   p r o t o co l,  th n o r m alize d   en er g y   co n s u m p tio n   i n   ( m J /Mb )   is   s h o w n   in   th f ig u r 7   f o r   d ata  s ize  eq u al  to   1 Mb .   T h is   s h o w s   clea r l y   in   th i s   f ig u r t h at  th UW B ,   W i - Fi  a n d   Wi - Ma x   h av b etter   en er g y   e f f icie n c y .   0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 -1 2 10 -1 0 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 R a n g e   ( m ) P o w e r   ( W a t t )     B l u e t o o t h   f = 2 . 4 9   G H z U W B   f = 3 . 1   G H z Zi g B e e   f = 9 1 5   M H z W i Fi   f = 5 . 5   G H z W i m a x   f = 3 . 5 8   G H z G P R S   f = 9 0 0   M H z Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8776   IJ - I C T   Vo l.  3 ,   No .   3 Octo b e r   201 4   :   1 29     14 3   136     Fig u r e   6 .   C o m p ar is o n   o f   c h ip s et  p o w er   co n s u m p tio n   f o r   ea ch   p r o to co l         Fig u r e   7 .   C o m p ar in g   th c h ip s et  n o r m alize d   en er g y   co n s u m p tio n   f o r   ea ch   p r o to co l       I n   s u m m ar y ,   w ca n   s a y   t h at  B lu eto o th   an d   Z i g B ee   ar s u it ab le  f o r   lo w   d ata  r ate  ap p licat io n s   w it h   li m ited   b atter y   p o w er ,   b ec a u s o f   t h eir   lo w   e n er g y   c o n s u m p tio n   w h ich   p r o m o tes   lo n g   li f eti m e.   C o n tr ar i w i s f o r   i m p le m en tati o n s   o f   h i g h   d ata  r ate,   UW B ,   W i - Fi  an d   Wi - Max   w o u ld   b th b est  s o lu t io n   d u to   th eir   lo w   n o r m alize d   e n er g y   co n s u m p tio n .   W h ile   f o r   m o n ito r in g   a n d   s u r v e illa n ce   ap p licatio n s   w it h   lo d ata  r ate  r eq u ir in g   lar g ar ea   c o v er ag e,   GP R w o u l d   b an   a d eq u ate  s o lu tio n .     1 . 6 .   B it   E rr o Ra t e   T h tr an s m it ted   s ig n al  is   co r r u p ted   b y   w h ite  n o is A W G ( A d d itiv W h i te  Gau s s ia n   No is e)   to   m ea s u r t h p er f o r m a n ce   o f   th d i g ital   tr an s m is s io n s   ( OQ - B - Q - P SK,  4 P A M,   1 6 QA M,   GM SK,  GFSK ,   8 DP SK,  8 P SK  an d   OFDM) ,   u s ed   in   t h s t u d ied   w ir ele s s   p r o to co ls ,   b y   ca lcu lati n g   th b i er r o r   p r o b ab ilit y .   T h is   latter   is   v er y   g o o d   to o l   to   m ea s u r th p er f o r m an ce   o f   a   m o d u lat io n   u s ed   in   co m m u n icatio n   m o d u le   an d   th er ef o r h e lp s   to   i m p r o v e   its   r o b u s tn e s s .   I t is ca lc u lated   b y   t h f o llo w in g   f o r m u la :     B E R E r r T X B i t s N N                                 ( 8 )     N Err   th n u m b er   o f   er r o r s   N TXBits   th n u m b er   o f   tr a n s m it ted   b its     T h f ig u r 8   s h o w s   t h B E R   o f   th d if f er en m o d u latio n s   u s ed   in   w ir ele s s   tech n o lo g ie s   m en tio n ed   ab o v ac co r d in g   o n   s ig n al  t o   n o is r atio   E b /N 0 .   T h B E R   f o r   all  s y s te m s   d ec r ea s es  m o n o to n ica ll y   w i th   in cr ea s i n g   v al u e s   o f   E b /N 0 ,   t h e   cu r v e s   d ef i n i n g   s h ap s i m il ar   to   th s h ap o f   w ater f all  [ 3 6 ] ,   [ 3 8 ] .   T h B E R   f o r   QP SK  an d   OQP SK  is   t h e   s a m as  f o r   B P SK.  W n o te  th at  t h h i g h er   o r d er   m o d u lati o n s   ex h i b it  h i g h er   er r o r   r ates  w h ich   t h u s   lead s   t o   co m p r o m is w it h   th s p e ctr al  ef f ic ien c y .   QP SK  an d   GM SK  s ee m   t h b est   co m p r o m is b et w ee n   s p ec tr a ef f icie n c y   a n d   B E R   f o llo w ed   b y   o t h er   m o d u latio n s .   T h ese  t w o   r o b u s t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - I C T     I SS N:  2252 - 8776       I n fo r ma n ce   I n d ica to r s   fo r   W i r eless   …  ( S a a d   C h a kk o r )   137   m o d u latio n s   ar u s ed   i n   Wi - Max ,   Z i g B ee ,   W i - Fi  a n d   i n   G P R n e t w o r k .   T h e y   ca n   b e m p lo y ed   i n   th e   n o i s y   ch an n el s   an d   in   t h n o is y   e n v i r o n m e n ts .         Fig u r e   8 .   B it E r r o r   R ate  f o r   d if f er en m o d u latio n s       Ho w e v er ,   b ec au s o f   th eir   s en s it iv i t y   to   n o is an d   n o n - l in ea r ities ,   t h m o d u lat io n s   4 P A an d   8 DP SK  r e m ai n   lit tle  u s ed   co m p ar ed   to   o th er   m o d u lat io n s .   C o n ce r n i n g   t h Q A M   m o d u l atio n ,   it   u s es   m o r e   ef f icien tl y   th tr an s m i tted   en er g y   w h e n   t h n u m b er   o f   b i ts   p er   s y m b o i n cr ea s es.  As  f o r   th f r eq u e n c y   h o p p in g   F SK  m o d u la tio n s ,   t h in cr ea s o f   th s y m b o l s   w ill  en ab le  r ed u ctio n   o f   th B E R   b u also   in cr ea s t h s p ec tr al  o cc u p an c y .   T h m ai n   f a u lt  o f   th e s F SK  m o d u lati o n s   is   th e ir   lo w   s p ec tr al  e f f ic ien c y .   On   th o t h er   s id e,   th GM S m o d u la tio n   h as  b ee n   d e v elo p ed   in   o r d er   to   in cr ea s th s p ec tr al  ef f ici en c y   [ 5 0 ] .   I h as  a   sa tis f ac to r y   p er f o r m a n ce   in   te r m s   o f   B E R   an d   n o is r esis ta n ce   [ 9 ] ,   [ 3 5 - 4 1 ] .   Fu r th er m o r e,   th lo w er   b it  er r o r   p r o b a b ilit y   is   o b tai n ed   to   th d etr i m e n t o f   t h n u m b er   o f   u s er s .   I t c an   b h elp f u l to   in v est ig ate  th r elatio n s h ip   b et w ee n   th tr a n s m i s s io n   q u al it y   a n d   t h n u m b er   o f   s er v ed   u s er s .       T ab le   7.   E b /N 0   V alu es  w h ic h   ca n ce ls   B E R   f o r   th d if f er en t m o d u latio n s     M o d u l a t i o n   E b   /N 0   ( d B )   B . E . R   B - OQ - Q P S K   7 , 8   10 - 6   G M S K   1 2 , 7   10 - 6   F S K   1 3 , 3   10 - 6   8 P S K   1 3 , 8   10 - 6   O F D M   1 4 , 3   10 - 6   1 6 Q A M   1 4 , 8   10 - 6   G F S K   1 5 , 7   10 - 6   4 P A M   1 7 , 6   10 - 6   8 D P S K   2 2 , 6   10 - 6       1 . 7 .   Da t a   Co din g   E f f iciency   T h co d in g   ef f icie n c y   ca n   b ca lcu lated   f r o m   th f o llo w in g   f o r m u la:     d a t a c d e f f d a t a d a t a o v h d m a x P l d N P 1 0 0 N NN N                                            ( 9 )     B ased   o n   th f i g u r 9 ,   th co d in g   e f f icie n c y   in cr ea s e s   w h e n   t h d ata  s ize  i n cr ea s e.   Fo r   s m al d ata  s ize,   B lu eto o th   an d   Z i g B ee   ar e   th b est  s o lu tio n s   w h i le  f o r   h ig h   d ata  s izes  GP R S,  UW B ,   W i - Ma x   a n d   W i - Fi   h av e f f icie n c y   ar o u n d   9 4 %.     Fo r   p o in o f   v ie w   ap p licatio n ,   th au to m atio n   i n d u s tr ial  s y s te m s   b ased   o n   i n telli g e n s e n s o r s ,   s in ce   m o s d ata   m o n ito r in g   a n d   i n d u s tr ial  co n t r o h a v g e n er al l y   s m all  s ize  b ec a u s t h e y   d o n ' t   r eq u ir an   i m p o r tan d ata   r ate  s u c h   as   p r ess u r o r   te m p er atu r e   m ea s u r e m en t s   w h ic h   d o n ' t   e x ce ed s   4   b y tes ,   B l u eto o th ,   Z i g B ee   an d   GP R ca n   b g o o d   ch o ice  d u to   th eir   co d in g   ef f icie n c y   a n d   t h eir   lo w   d at r ate.   On   th o th er   h an d ,   f o r   ap p licatio n s   r eq u ir i n g   lar g co v er   zo n a s   t h e   b o r d er s   m o n ito r in g ,   th e   p er s o n s   tr ac k in g   o r   t h e   en v ir o n m e n tal   m o n ito r i n g   o r   th e v e n d etec tio n ,   GP R a n d   W i - Max   ar a n   ad eq u a te  s o lu tio n ,   w h er ea s   f o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8776   IJ - I C T   Vo l.  3 ,   No .   3 Octo b e r   201 4   :   1 29     14 3   138   th m u lti m ed ia  ap p licatio n s   r eq u ir in g   a n   i m p o r tan t   d ata  r a te  s u ch   t h v id eo   m o n ito r in g ,   W i - F i,  UW B   an d   Wi - Ma x   f o r m   b etter   s o lu t io n .         Fig u r e   9 .   C o d in g   e f f icien c y   d e p en d in g   o n   d ata  s ize       1 . 8 .   P a ck et   E rr o P ro ba bil it y   T h p ac k et  er r o r   p r o b a b ilit y   is   o n in d icato r   w h ic h   ca n   b u s e f u to   k n o w   Qo lev el,   i f   p ac k et  er r o r   is   d etec ted   an   er r o r - co r r ec tio n   m ec h a n i s m   is   ac t iv ated   b y   r etr an s m is s io n   o f   t h f au l t y   p ac k et  at  t h M AC   la y er .   T h is   p r o ce s s   i m p r o v es s y s te m   r eliab ilit y ,   b u t i n cr ea s es   d elay .   I t c an   b ca lcu lated   as  f o llo w s   [ 5 2 ] :     e p 1 1 L e b                               ( 10 )     b e   b it e r r o r   p r o b ab ilit y   L   p ac k et   len g t h   in   b it s           Fig u r e   1 0 .   P ac k et  er r o r   d e p en d in g   o n   p ac k e t le n g t h       R ef er r i n g   i n   f i g u r 1 0 ,   it  is   o b v io u s l y   clea r   t h at  in cr ea s i n g   L   m a y   lead   to   h i g h er   p ac k et  er r o r   p r o b a b ilit y   a n d   t h er ef o r h ig h er   n u m b er   o f   r etr a n s m i s s i o n s .   Dep e n d in g   o n   t h b it - er r o r   p r o b ab ilit y   an d   p ac k et  o v er h ea d ,   p ac k et  len g t h   L   ca n   b o p ti m ized   s o   th at  a n   o p ti m al  s y s te m   l if e ti m ca n   b ac h iev ed .     1 . 9 .   E nerg y   I nd e x   E n er g y   i n d ex   is   u s ed   to   m ea s u r t h tr an s m i s s io n   e n er g y   co s o f   a   s e n s o r   n o d an d   t h er ef o r e   to   d eter m in li f s p a n   o f   t h s e n s o r s   n et w o r k .   I is   g i v e n   as  f o ll o w s   [ 5 2 ] :     i E 1. r t m c LO n e e e                             (1 1 )   10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 0 20 40 60 80 100 D a t a   P a y l o a d   S i z e   ( B y t e s ) D a t a   c o d i n g   e f f i c i e n c y   ( % )     B l e u t o o t h U W B Zi g B e e W i - Fi W i - M a x G S M / G P R S 0 50 100 150 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P a c k e t   L e n g t h   ( B y t e s ) P a c k e t   P r o b a b i l i t y   E r r o r     b e = 0 . 0 1 b e = 0 . 0 0 5 b e = 0 . 0 0 0 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.