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Publicação
Enhanced two-phase contention window MAC protocol for wireless sensor networks applications
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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| Resumo | 91.8 KB | Adobe PDF | ||
| Tese | 9.9 MB | Adobe PDF |
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Resumo(s)
Nowadays, the user of Wireless Sensor Networks (WSNs) is becoming more and more demanding in terms of choice and diversity of applications. As a consequence, as the diversity of applications continues to grow there is a need to identify and classify the set of detailed characterization parameters that facilitates to sketch up a taxonomy for WSN applications. The proposed taxonomy identi es the services offered by each application makes a tool available to better understand the services and requirements of each application, along with a holistic overview of the WSN proposed application taxonomy. The research also involved the actual development of WSN applications within different research projects, namely in the elds of healthcare (Smart Clothing), civil engineering structure monitoring (INSYSM) and precision agriculture. Different medium access control mechanisms employ different collision avoidance schemes to cope with packet collision and retransmission, trading-off complexity, energy inef ciency and control of packet overhead. In particular, this PhD thesis addresses the study the packet collision probability for a MAC protocol that employs a collision avoidance mechanism with two contention window and consequent proposal of a model for the collision probability. Simulation results validate the model for saturated traf c. For unsaturated traf c and with a small number of nodes, the accuracy of the model is limited by numerical rounding. It is shown that, by using our analytical model, we have been able to obtain performance metrics such as network throughput and average service time for the successful transmissions. In addition, the Enhanced Reliability Decision Algorithm in the physical layer has been proposed. The frame capture effect (FC) feature has been implemented in the IEEE 802.15.4 compliant physical layer of the MiXiM framework. The proposed decision algorithm utilizes the Signal to Noise-plus-Interference ratio (SNIR) and the size of the packet to guarantee the delivery with certain reliability to the MAC layer, of a packet received at the PHY layer. A gain of more than 10 % has been achieved in the delivery ratio. Promising results have also been obtained for the SCP-MAC protocol with the FC effect enabled, for different values of reliability. As one of the main contributions of this thesis, an innovative ef cient multi-channel MAC protocol, based on SCP-MAC, was proposed, the so-called Multi-Channel Scheduled Channel Polling (MC-SCP-MAC) protocol. The in uential range concept, denial channel list (which considers the degradation metric of each slot channel), extra resolution phase algorithm and frame capture effect have been explored to achieve the maximum performance in terms of delivery ratio and energy consumption. It has been shown MC-SCP-MAC outperforms SCP-MAC and MC-LMAC in denser scenarios, with improved throughput fairness. Considering the in uential range concept reduces the redundancy level in the network facilitating to reduce the energy consumption whilst decreasing the latency. The conclusions from this research reveal the importance of an appropriate design for the MAC protocol for the desired WSN application. Depending on the objective or mission of the WSN application, different protocols are required. Therefore, the overall performance of a WSN application certainly depends on the appropriate development and application of the appropriate communication protocols (e.g., MAC, network layer).
Hoje em dia, os utilizadores de Redes de Sensores sem Fios (RSSFs) est„o-se a tornar cada vez mais exigentes em termos de escolha e diversidade de aplicaÁıes. Assim, È fundamental identi car e classi car o conjunto de par‚metros de caracterizaÁ„o que possibilitam elaborar uma taxonomia para as aplicaÁıes em RSSFs. Esta taxonomia identi ca os serviÁos oferecidos por cada aplicaÁ„o e preenche o vazio existente na literatura das RSSFs, atravÈs da descriÁ„o da classi caÁ„o e dos par‚metros de caracterizaÁ„o (critÈrios), possibilitando uma melhor compreens„o dos serviÁos e dos requisitos de cada aplicaÁ„o, em conjunto com uma vis„o geral holÌstica da taxonomia proposta para as aplicaÁıes. A investigaÁ„o tambÈm envolveu o desenvolvimento real de aplicaÁıes em RSSFs no contexto de diferentes projectos. Mecanismos de controlo de acesso ao meio (MAC) distintos aplicam esquemas diferentes de prevenÁ„o de colisıes para lidar com as colisıes e as retransmissıes, um equilÌbrio entre a complexidade, e ciÍncia energÈtica e controlo de overhead de pacotes. Em particular, investiga-se a probabilidade de colis„o de pacotes para um protocolo MAC que considera um mecanismo de prevenÁ„o de colisıes com duas janelas de contenÁ„o, e a respectiva proposta dum modelo para a probabilidade de colis„o. Embora as simulaÁıes validem os resultados para tr·fego saturado, para tr·fego n„o saturado e um n˙mero reduzido de nÛs, a precis„o do modelo È limitada pelos arredondamentos numÈricos. Mostra-se que, aplicando o nosso modelo analÌtico, conseguem-se obter mÈtricas de desempenho, como o dÈbito bin·rio e o tempo mÈdio de serviÁo. Adicionalmente, propÙs-se um algoritmo de decis„o baseada em abilidade na camada fÌsica, de acordo com a norma IEEE 802.15.4, o efeito de captura de tramas (FC), no MiXiM. O algoritmo de decis„o proposto considera a relaÁ„o sinal-ruÌdo-mais-interferÍncia (SNIR) e o tamanho dos pacotes de forma a garantir a entrega de pacotes da camada fÌsica ‡ camada MAC, com uma certa abilidade. Foi obtido um ganho superior a 10 % na entrega de pacotes com sucesso. Obtiveram-se resultados promissores para o protocolo Scheduled Channel Polling (SCP-MAC) em funÁ„o da abilidade, considerando a habilitaÁ„o do efeito de captura de tramas. Uma das principais contribuiÁıes desta tese È a proposta de um protocolo MAC e ciente e inovador, baseado no SCP, o protocolo multi-canal de acesso calendarizado regular (MC-SCP-MAC). Exploraram-se os conceitos de ·rea de in uÍncia, lista de negaÁ„o de canais, fase de resoluÁ„o extra e efeito de captura de tramas, de forma a maximizar a de entrega de pacotes e consumo de energia. Demonstra-se que o MC-SCP-MAC supera o SCP-MAC e o MC-LMAC em cen·rios com elevada densidade de nÛs, com uma fairness melhorada para o dÈbito bin·rio. A aplicaÁ„o do conceito de ·rea de in uÍncia no MC-SCP-MAC, origina uma reduÁ„o do nÌvel de redund‚ncia na rede, com a consequente reduÁ„o do consumo de energia e do atraso extremo-a-extremo. As conclusıes extraÌdas desta investigaÁ„o demonstram a import‚ncia dum dimensionamento adequado dos protocolos MAC para a aplicaÁ„o de RSSFs pretendida. Dependendo do objectivo ou miss„o da aplicaÁ„o, ser· necess·rio utilizar protocolos diferentes. Portanto, o desempenho global duma aplicaÁ„o em RSSFs depende certamente do desenvolvimento e aplicaÁ„o dos protocolos de comunicaÁ„o apropriados (por exemplo, MAC e de nÌvel de rede).
Hoje em dia, os utilizadores de Redes de Sensores sem Fios (RSSFs) est„o-se a tornar cada vez mais exigentes em termos de escolha e diversidade de aplicaÁıes. Assim, È fundamental identi car e classi car o conjunto de par‚metros de caracterizaÁ„o que possibilitam elaborar uma taxonomia para as aplicaÁıes em RSSFs. Esta taxonomia identi ca os serviÁos oferecidos por cada aplicaÁ„o e preenche o vazio existente na literatura das RSSFs, atravÈs da descriÁ„o da classi caÁ„o e dos par‚metros de caracterizaÁ„o (critÈrios), possibilitando uma melhor compreens„o dos serviÁos e dos requisitos de cada aplicaÁ„o, em conjunto com uma vis„o geral holÌstica da taxonomia proposta para as aplicaÁıes. A investigaÁ„o tambÈm envolveu o desenvolvimento real de aplicaÁıes em RSSFs no contexto de diferentes projectos. Mecanismos de controlo de acesso ao meio (MAC) distintos aplicam esquemas diferentes de prevenÁ„o de colisıes para lidar com as colisıes e as retransmissıes, um equilÌbrio entre a complexidade, e ciÍncia energÈtica e controlo de overhead de pacotes. Em particular, investiga-se a probabilidade de colis„o de pacotes para um protocolo MAC que considera um mecanismo de prevenÁ„o de colisıes com duas janelas de contenÁ„o, e a respectiva proposta dum modelo para a probabilidade de colis„o. Embora as simulaÁıes validem os resultados para tr·fego saturado, para tr·fego n„o saturado e um n˙mero reduzido de nÛs, a precis„o do modelo È limitada pelos arredondamentos numÈricos. Mostra-se que, aplicando o nosso modelo analÌtico, conseguem-se obter mÈtricas de desempenho, como o dÈbito bin·rio e o tempo mÈdio de serviÁo. Adicionalmente, propÙs-se um algoritmo de decis„o baseada em abilidade na camada fÌsica, de acordo com a norma IEEE 802.15.4, o efeito de captura de tramas (FC), no MiXiM. O algoritmo de decis„o proposto considera a relaÁ„o sinal-ruÌdo-mais-interferÍncia (SNIR) e o tamanho dos pacotes de forma a garantir a entrega de pacotes da camada fÌsica ‡ camada MAC, com uma certa abilidade. Foi obtido um ganho superior a 10 % na entrega de pacotes com sucesso. Obtiveram-se resultados promissores para o protocolo Scheduled Channel Polling (SCP-MAC) em funÁ„o da abilidade, considerando a habilitaÁ„o do efeito de captura de tramas. Uma das principais contribuiÁıes desta tese È a proposta de um protocolo MAC e ciente e inovador, baseado no SCP, o protocolo multi-canal de acesso calendarizado regular (MC-SCP-MAC). Exploraram-se os conceitos de ·rea de in uÍncia, lista de negaÁ„o de canais, fase de resoluÁ„o extra e efeito de captura de tramas, de forma a maximizar a de entrega de pacotes e consumo de energia. Demonstra-se que o MC-SCP-MAC supera o SCP-MAC e o MC-LMAC em cen·rios com elevada densidade de nÛs, com uma fairness melhorada para o dÈbito bin·rio. A aplicaÁ„o do conceito de ·rea de in uÍncia no MC-SCP-MAC, origina uma reduÁ„o do nÌvel de redund‚ncia na rede, com a consequente reduÁ„o do consumo de energia e do atraso extremo-a-extremo. As conclusıes extraÌdas desta investigaÁ„o demonstram a import‚ncia dum dimensionamento adequado dos protocolos MAC para a aplicaÁ„o de RSSFs pretendida. Dependendo do objectivo ou miss„o da aplicaÁ„o, ser· necess·rio utilizar protocolos diferentes. Portanto, o desempenho global duma aplicaÁ„o em RSSFs depende certamente do desenvolvimento e aplicaÁ„o dos protocolos de comunicaÁ„o apropriados (por exemplo, MAC e de nÌvel de rede).
Descrição
This work was supported by the PhD FCT grant SFRH/BD/38356/2007 and IT grant PEst-OE/EEI/ LA0008/2011. I also acknowledge several projects where I was involved in: COST IC1004, COST 2100, MobileMAN, OPPORTUNISTIC-CR, PROENERGY-WSN, Smart-Clothing, and INSYSM
Palavras-chave
Redes de sensores sem fios Protocolos MAC Wireless Sensor Networks WSN applications taxonomy
Contexto Educativo
Citação
Editora
Universidade da Beira Interior