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Publicação
Innovative energy-efficient wireless sensor network applications and MAC sub-layer protocols employing RTS-CTS with packet concatenation
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Resumo(s)
Nowadays, Wireless Sensor Networks (WSNs) have faced a tremendous advance both in terms of energy-efficiency as well as the number of available applications. As a consequence there are challenges that need to be tackled for the future generation of WSNs. The research work from this Ph.D. thesis has involved the actual development of innovative WSN applications contributing to different research projects. In the Smart-Clothing project contributions have been given in the development of a Wireless Body Area Network (WBAN) to monitor the foetal movements of a pregnant woman in the last four weeks of pregnancy. The creation of an automatic wireless measurement system for remotely monitoring concrete structures was an contribution for the INSYSM project. This was accomplished by using an IEEE 802.15.4 network enabling for remotely monitoring the temperature and humidity within civil engineering structures. In the framework of the PROENEGY-WSN project contributions have been given in the identification the spectrum opportunities for Radio Frequency (RF) energy harvesting through power density measurements from 350 MHz to 3 GHz. The design of the circuits to harvest RF energy and the requirements needed for creating a WBAN with electromagnetic energy harvesting and Cognitive Radio (CR) capabilities have also been addressed. A performance evaluation of the state-of-the art of the hardware WSN platforms has also been addressed. This is explained by the fact that, even by using optimized Medium Access Control (MAC) protocols, if the WSNs platforms do not allow for minimizing the energy consumption in the idle and sleeping states, energy efficiency and long network lifetime will not be achieved. The research also involved the development of new innovative mechanisms that tries and solves overhead, one of the fundamental reasons for the IEEE 802.15.4 standard MAC inefficiency. In particular, this Ph.D. thesis proposes an IEEE 802.15.4 MAC layer performance enhancement by employing RTS/CTS combined with packet concatenation. The results have shown that the use of the RTS/CTS mechanism improves channel efficiency by decreasing the deferral time before transmitting a data packet. In addition, the Sensor Block Acknowledgment MAC (SBACK-MAC) protocol has been proposed that allows the aggregation of several acknowledgment responses in one special Block Acknowledgment (BACK) Response packet. Two different solutions are considered. The first one considers the SBACK-MAC protocol in the presence of BACK Request (concatenation) while the second one considers the SBACK-MAC in the absence of BACK Request (piggyback). The proposed solutions address a distributed scenario with single-destination and single-rate frame aggregation. The throughput and delay performance is mathematically derived under both ideal conditions (a channel environment with no transmission errors) and non ideal conditions (a channel environment with transmission errors). An analytical model is proposed, capable of taking into account the retransmission delays and the maximum number of backoff stages. The simulation results successfully validate our analytical model. For more than 7 TX (aggregated packets) all the MAC sub-layer protocols employing RTS/CTS with packet concatenation allows for the optimization of channel use in WSNs, v8-48 % improvement in the maximum average throughput and minimum average delay, and decrease energy consumption.
Actualmente, as Redes de Sensores Sem Fios (RSSFs) estão a enfrentar novos paradigmas, tanto em termos de eficiência energética, como em número de aplicações disponíveis. Como consequência, existem novos desafios que precisam ser respondidos tendo em conta a futura geração de RSSFs. Nesta tese de doutoramento foram desenvolvidas aplicações inovadoras para RSSFs no contexto de diferentes projectos de investigação. No âmbito projecto Smart-Clothing foram dadas contribuições no desenvolvimento de uma RSSFs de Área Corporal para monitorar os movimentos fetais de uma mulher grávida nas últimas quatro semanas de gravidez. No âmbito projecto INSYSM, foi concebido um sistema de aquisição que permite monitorizar em tempo real a humidade e temperatura no período de cura de blocos de betão, utilizando RSSFs IEEE 802.15.4. No âmbito do projecto PROENEGY-WSN foram dadas contribuições na identificação das oportunidades espectrais para recolha de energia electromagnética de frequências rádio (RF) através de medições de densidade de potência entre os 350 MHz a 3 GHz do espectro radio eléctrico. Para além disso foram concebidos circuitos de recolha de energia de RF. Tendo sindo também apresentados os requisitos necessários para a criação de uma RSSFs de Área Corporal considerando recolha de energia electromagnética do meio ambiente e Rádios Cognitivos (CR). Uma avaliação do desempenho das plataformas de hardware para RSSFs baseada em critérios tais como características principais, requisitos de energia e recursos de expansibilidade, programação e comunidade foi também proposto. Mesmo usando protocolos de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) optimizados, se as plataformas de hardware para RSSFs não permitirem minimizar o consumo de energia nos estados inactivo e adormecido, o que limita o tempo de vida da rede, a eficiência energética não será alcançada. Durante a investigação desenvolvida foram também concebidos mecanismos inovadores que permitem resolver o problema da ineficiência associada ao overhead da norma IEEE 802.15.4. Em particular, nesta tese de doutoramento propõe-se uma melhoria do desempenho da camada MAC da norma IEEE 802.15.4 usando um mecanismo de reserva de canal com pacotes RTS/CTS, combinado com concatenação de pacotes. Os resultados mostram que o uso do mecanismo de RTS/CTS melhora a eficiência do canal, diminuindo o tempo médio de transmissão de um pacote de dados. Para além disso, é também proposto o protocolo Sensor Block Acknowledgment MAC (SBACK-MAC), que permite a confirmação da entrega de um conjunto de pacotes de dados transmitidos, através da agregação de vários pacotes de resposta de entrega de dados (ACK) num único pacote, BACK Response, com a consequente redução de overhead causado pelos pacotes de controlo. Duas soluções considerando a agregação de pacotes são propostas. A primeira considera o protocolo SBACK-MAC contemplando a utilização do pacote de controlo BACK Request (concatenação) enquanto a segunda considera o SBACK-MAC sem a utilização do pacote BACK Request (piggyback). As soluções propostas abordam um cenário distribuído, com um ritmo de transmissão e de agregação de pacotes fixo. O desempenho em termos de débito binário e atraso é matematicamente derivado em condições ideais (sem erros de transmissão) e condições não ideais (com erros de transmissão), existindo uma melhoria entre v8 e 48 %. Os protocolos MAC permitem também diminuir o consumo de energia dos nós sensores.
Actualmente, as Redes de Sensores Sem Fios (RSSFs) estão a enfrentar novos paradigmas, tanto em termos de eficiência energética, como em número de aplicações disponíveis. Como consequência, existem novos desafios que precisam ser respondidos tendo em conta a futura geração de RSSFs. Nesta tese de doutoramento foram desenvolvidas aplicações inovadoras para RSSFs no contexto de diferentes projectos de investigação. No âmbito projecto Smart-Clothing foram dadas contribuições no desenvolvimento de uma RSSFs de Área Corporal para monitorar os movimentos fetais de uma mulher grávida nas últimas quatro semanas de gravidez. No âmbito projecto INSYSM, foi concebido um sistema de aquisição que permite monitorizar em tempo real a humidade e temperatura no período de cura de blocos de betão, utilizando RSSFs IEEE 802.15.4. No âmbito do projecto PROENEGY-WSN foram dadas contribuições na identificação das oportunidades espectrais para recolha de energia electromagnética de frequências rádio (RF) através de medições de densidade de potência entre os 350 MHz a 3 GHz do espectro radio eléctrico. Para além disso foram concebidos circuitos de recolha de energia de RF. Tendo sindo também apresentados os requisitos necessários para a criação de uma RSSFs de Área Corporal considerando recolha de energia electromagnética do meio ambiente e Rádios Cognitivos (CR). Uma avaliação do desempenho das plataformas de hardware para RSSFs baseada em critérios tais como características principais, requisitos de energia e recursos de expansibilidade, programação e comunidade foi também proposto. Mesmo usando protocolos de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) optimizados, se as plataformas de hardware para RSSFs não permitirem minimizar o consumo de energia nos estados inactivo e adormecido, o que limita o tempo de vida da rede, a eficiência energética não será alcançada. Durante a investigação desenvolvida foram também concebidos mecanismos inovadores que permitem resolver o problema da ineficiência associada ao overhead da norma IEEE 802.15.4. Em particular, nesta tese de doutoramento propõe-se uma melhoria do desempenho da camada MAC da norma IEEE 802.15.4 usando um mecanismo de reserva de canal com pacotes RTS/CTS, combinado com concatenação de pacotes. Os resultados mostram que o uso do mecanismo de RTS/CTS melhora a eficiência do canal, diminuindo o tempo médio de transmissão de um pacote de dados. Para além disso, é também proposto o protocolo Sensor Block Acknowledgment MAC (SBACK-MAC), que permite a confirmação da entrega de um conjunto de pacotes de dados transmitidos, através da agregação de vários pacotes de resposta de entrega de dados (ACK) num único pacote, BACK Response, com a consequente redução de overhead causado pelos pacotes de controlo. Duas soluções considerando a agregação de pacotes são propostas. A primeira considera o protocolo SBACK-MAC contemplando a utilização do pacote de controlo BACK Request (concatenação) enquanto a segunda considera o SBACK-MAC sem a utilização do pacote BACK Request (piggyback). As soluções propostas abordam um cenário distribuído, com um ritmo de transmissão e de agregação de pacotes fixo. O desempenho em termos de débito binário e atraso é matematicamente derivado em condições ideais (sem erros de transmissão) e condições não ideais (com erros de transmissão), existindo uma melhoria entre v8 e 48 %. Os protocolos MAC permitem também diminuir o consumo de energia dos nós sensores.
Descrição
Palavras-chave
Redes de sensores sem fios Redes de sensores sem fios - Protocolos de acesso Redes de sensores sem fios - Eficiência energética Protocolos de acesso - Acesso ao meio - Eficiência energética Concatenação de pacotes