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Publicação
Energy-aware medium access control protocols for wireless sensors network applications
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Autores
Resumo(s)
The main purpose of this thesis was to investigate energy efficient Medium Access Control (MAC) protocols designed to extend the lifetime of a wireless sensor network application, such as tracking, environment monitoring, home security, patient monitoring, e.g., foetal monitoring in the last weeks of pregnancy. From the perspective of communication protocols, energy efficiency is one of the most important issues, and can be addressed at each layer of the protocol stack; however, our research only focuses on the medium access control (MAC) layer. An energy efficient MAC protocol was designed based on modifications and optimisations for a synchronized power saving Sensor MAC (SMAC) protocol, which has three important components: periodic listen and sleep, collision and overhearing avoidance and message passing. The Sensor Block Acknowledgement (SBACK) MAC protocol is proposed, which combines contention-based, scheduling-based and block acknowledgement-based schemes to achieve energy efficiency. In SBACK, the use of ACK control packets is reduced since it will not have an ACK packet for every DATA packet sent; instead, one special packet called Block ACK Response will be used at the end of the transmission of all data packets. This packet informs the sender of how many packets were received by the receiver, reducing the number of ACK control packets we intended to reduce the power consumption for the nodes. Hence more useful data packets can be transmitted. A comparison study between SBACK and SMAC protocol is also performed. Considering 0% of packet losses, SBACK decreases the energy consumption when directly compared with S-MAC, we will have always a decrease of energy consumption. Three different transceivers will be used and considering a packet loss of 10% we will have a decrease of energy consumption between 10% and 0.1% depending on the transceiver. When there are no retransmissions of packets, SBACK only achieve worst performance when the number of fragments is less than 12, after that the decrease of average delay increases with the increase of the fragments sent. When 10% of the packets need retransmission only for the TR1000 transceiver worst results occurs in terms of energy waste, all other transceivers (CC2420 and AT86RF230) achieve better results. In terms of delay if we need to retransmit more than 10 packets the SBACK protocol always achieves better performance when comparing with the other MAC protocols that uses ACK.
O objectivo principal desta tese foi investigar os protocolos de controlo de acesso ao meio eficientes do ponto de vista energético com o objectivo de aumentar o tempo de vida para aplicações de redes de sensores, tais como monitorizar pessoas, monitorizar o meio ambiente, aplicações envolvendo segurança em casa, vigilância de pacientes, ou seja monitorizar o feto nas últimas semanas de gravidez. Na perspectiva dos protocolos de comunicação, a eficiência energética é um dos tópicos mais importantes, e pode ser tratado em cada nível da pilha protocolar. No entanto, a nossa investigação apenas se foca na camada de controlo de acesso ao meio (MAC). Propôs-se um protocolo MAC com base em modificações e optimizações de um protocolo que utiliza sincronização para poupar energia e que tem três componentes: escuta periodicamente o meio indo para o estado de adormecido, evita colisões e “overhearing.” Cada no pode ser utilizado como um nó para enviar mensagens para outros nós. O protocolo Sensor Block Acknowledgment (SBACK) combina técnicas baseadas em contenção, sincronização e esquemas de acknowledgment de modo a obter eficiência energética. No SBACK, o uso de pacotes de ACK de controlo é reduzido, dado que não iremos ter um pacote de ACK por cada pacote de dados enviados; em vez disso, um pacote Block ACK Response especial vai ser usado no fim da transmissão de todos os pacotes de dados. Este pacote informa o emissor de quantos pacotes foram recebidos pelo receptor. Reduz-se ainda o número de pacotes de ACK, reduzindo-se em geral o consumo de potência de cada nó. Deste modo, podem ser transmitidos mais pacotes úteis de dados. Efectuou-se um estudo comparativo entre os protocolos SBACK e SMAC. Considerando 0% de perda de pacotes, o SBACK diminui o consumo de energia quando directamente comparado com o S-MAC. Então, iremos ter sempre uma diminuição do consumo de energia. Podem-se utilizar três diferentes rádio “transceivers”. Considerando 10% de perda de pacotes, iremos ter um desperdício do consumo de energia entre 10% e 0.1%, dependendo do “transceiver”. Quando não existem retransmissões de pacotes, o SBACK apenas atinge pior desempenho quando o número de fragmentos é menor do que 12, a partir desse valor a diminuição média do atraso aumenta com o aumento de pacotes enviados. Quando a percentagem de pacotes precisam que de retransmissão é 10% apenas no rádio TR1000 ocorrem os piores resultados. Em termos de desperdício de energia, todos os outros rádios (CC2420 e AT86RF230) têm melhores desempenhos. Em termos de atraso, se precisamos de retransmitir mais de 10 pacotes o protocolo SBACK atinge sempre um melhor desempenho quando comparado com outros protocolos de controlo de acesso ao meio que usam ACK.
O objectivo principal desta tese foi investigar os protocolos de controlo de acesso ao meio eficientes do ponto de vista energético com o objectivo de aumentar o tempo de vida para aplicações de redes de sensores, tais como monitorizar pessoas, monitorizar o meio ambiente, aplicações envolvendo segurança em casa, vigilância de pacientes, ou seja monitorizar o feto nas últimas semanas de gravidez. Na perspectiva dos protocolos de comunicação, a eficiência energética é um dos tópicos mais importantes, e pode ser tratado em cada nível da pilha protocolar. No entanto, a nossa investigação apenas se foca na camada de controlo de acesso ao meio (MAC). Propôs-se um protocolo MAC com base em modificações e optimizações de um protocolo que utiliza sincronização para poupar energia e que tem três componentes: escuta periodicamente o meio indo para o estado de adormecido, evita colisões e “overhearing.” Cada no pode ser utilizado como um nó para enviar mensagens para outros nós. O protocolo Sensor Block Acknowledgment (SBACK) combina técnicas baseadas em contenção, sincronização e esquemas de acknowledgment de modo a obter eficiência energética. No SBACK, o uso de pacotes de ACK de controlo é reduzido, dado que não iremos ter um pacote de ACK por cada pacote de dados enviados; em vez disso, um pacote Block ACK Response especial vai ser usado no fim da transmissão de todos os pacotes de dados. Este pacote informa o emissor de quantos pacotes foram recebidos pelo receptor. Reduz-se ainda o número de pacotes de ACK, reduzindo-se em geral o consumo de potência de cada nó. Deste modo, podem ser transmitidos mais pacotes úteis de dados. Efectuou-se um estudo comparativo entre os protocolos SBACK e SMAC. Considerando 0% de perda de pacotes, o SBACK diminui o consumo de energia quando directamente comparado com o S-MAC. Então, iremos ter sempre uma diminuição do consumo de energia. Podem-se utilizar três diferentes rádio “transceivers”. Considerando 10% de perda de pacotes, iremos ter um desperdício do consumo de energia entre 10% e 0.1%, dependendo do “transceiver”. Quando não existem retransmissões de pacotes, o SBACK apenas atinge pior desempenho quando o número de fragmentos é menor do que 12, a partir desse valor a diminuição média do atraso aumenta com o aumento de pacotes enviados. Quando a percentagem de pacotes precisam que de retransmissão é 10% apenas no rádio TR1000 ocorrem os piores resultados. Em termos de desperdício de energia, todos os outros rádios (CC2420 e AT86RF230) têm melhores desempenhos. Em termos de atraso, se precisamos de retransmitir mais de 10 pacotes o protocolo SBACK atinge sempre um melhor desempenho quando comparado com outros protocolos de controlo de acesso ao meio que usam ACK.
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Palavras-chave
Redes de sensores Redes de sensores sem fios Redes sem fios - Protocolos de acesso Protocolos de controlo - Acesso ao meio - Eficiência energética Projecto smart-clothing - Sensores