Adaptive Medium Access Control for Heterogeneous Wireless Sensor Networks
Résumé
In this PhD thesis we consider heterogeneous Wireless Sensor Networks (WSNs) in which several sensing devices with different characteristics coexist. In contrast to a homogeneous sensor network, in heterogeneous networks different sensors may sense different physical phenomena generating traffic that have different characteristics such as monitoring temperature, pressure, and humidity, thereby introducing different reading rates at the sensors. Moreover, also information criticality can be heterogeneous. Deployment of nodes also introduces heterogeneity in the network. Depending on the specific application in fact, initial deployment can be random with the result that the distribution of nodes across the playground may be non-homogeneous. In addition to this, during the network life other factors influence the heterogeneity of the distribution of nodes. Some examples are the node death because of energy resource exhaustion or generic fault, the roll-out of new devices, and the mobility of nodes. All these characteristics can be considered as sources of heterogeneity of a WSN. Heterogeneity conditions may evolve during time and space, therefore, the design of a heterogeneous sensor networks requires adaptive mechanisms able to react to different characteristics, which is difficult to achieve. The goal of the thesis is to investigate the problems related to heterogeneity of sources in WSNs to design adaptive MAC methods that are able to take into account heterogeneity variations and are energy-efficient. We focus on two sources of heterogeneity. First, we study the problem of multiple traffic sources with different characteristics and constraints. Providing differentiated Quality of Service (QoS) such as low latency and high delivery ratio in large and multi-hops networks is a challenge due to limited energy resources of nodes. To solve this problem we propose an adaptive MAC protocol based on the asynchronous preamble sampling (PS) approach, a simple energy saving MAC technique, coupled with the idea of using a rendezvous time for data transmission. The proposed protocol (Low-Latency MAC, LA-MAC), is able to ensure efficient message forwarding throughout a multi-hop network thanks to the transmission of bursts. When messages need to be forwarded, each receiver behaves like coordinator to organize efficient transmission of contending senders. The innovation of the proposed protocol comes from combining enriched PS preambles to locally organize data transmission in a collision limited way. Extensive numerical simulations show that LA-MAC outperforms other state-of-the-art protocols in terms of latency, delivery ratio, and energy consumption. MAC protocols play a crucial role in fighting energy waste in WSNs because they govern the use of radio equipment, the major energy demanding part of nodes. The precise evaluation of the energy consumption in large wireless sensor networks that use preamble sampling MAC is difficult. In this thesis, we propose an analytic model for energy evaluation of PS that depends on the instantaneous traffic load of localized regions so that it is independent of the network traffic patterns that can also be heterogeneous. The proposed approach is flexible and it can be easily used to analyze the efficiency of other preamble sampling protocols. Numerical simulation fit the analytic expressions, thus validating the proposed energy evaluation model. Second, we study dynamic WSNs with density of nodes that varies across space and time. Such networks are characterized by high variability in terms of node densities. Density of nodes can be defined as the number of devices with data to send per square meter. Rapid density variation may affect the network state. Fast density increase results in higher packet loss due to higher probability of frame collisions. Density reduction may lead to energy waste due to idle listening (energy is wasted in listening to the channel without real needs). We address the case of dynamic wireless sensor networks in which nodes and/or radio links may appear and disappear over time due to battery exhaustion, node mobility, or network management operations (e.g. deployment of additional sensors). With the work presented in this thesis we show that it is possible to provide QoS support in dynamic networks using an adaptive Density Aware MAC (DA-MAC) method. The proposed protocol offers a configurable channel sensing phase during which nodes request transmission opportunity in a way that avoids collisions. With DA-MAC, nodes periodically adapt their local protocol parameters to access the channel without collisions depending on local density state. The efficiency of the proposed protocol with respect to other state-of-the-art protocols is shown with extensive numerical simulations.
Ce mémoire de thèse s'intéresse aux réseaux hétérogènes de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks - WSNs) constitués par une multitude de dispositifs de détection qui coexistent malgré leurs caractéristiques différentes. Contrairement aux réseaux homogènes de capteurs, chaque capteur d'un réseau hétérogène est capable de détecter et mesurer différents phénomènes physiques (température, pression, humidité) et génère ainsi un trafic avec des caractéristiques spécifiques, différentes d'un capteur à l'autre. En outre, la criticité des informations (i.e., l'état d'urgence avec lequel une information doit être délivrée) et le déploiement (initial) des nœuds introduisent également une hétérogénéité dans le réseau. En effet, selon l'application visée, le déploiement initial des nœuds peut être aléatoire, résultant en une répartition non-homogène des nœuds dans l'environnement. En sus, d'autres facteurs peuvent impacter l'hétérogénéité de la répartition des nœuds au cours de la vie du réseau. De tels facteurs peuvent être l'extinction d'un nœud suite à l'épuisement de ses ressources énergétiques ou à une faute générique, le déploiement de nouveaux dispositifs dans le réseau et la mobilité des nœuds. Tous ces phénomènes peuvent être perçus comme une source supplémentaire d'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil. Puisque les facteurs d'hétérogénéité peuvent évoluer tant au cours du temps que dans l'espace, il est indispensable de concevoir des mécanismes adaptatifs pour les réseaux hétérogènes de capteurs afin de réagir et de s'adapter à la dynamique du réseau. De tels mécanismes adaptatifs sont toutefois difficiles à mettre en place. L'objectif majeur de cette thèse est d'étudier les problèmes liés à l'hétérogénéité des sources de trafic dans les réseaux de capteurs sans fil afin de concevoir des méthodes de contrôle de l'accès au canal (Medium Access Control - MAC) qui s'adaptent à la dynamique de l'hétérogénéité tout en étant économe d'un point de vue énergétique. Deux sources d'hétérogénéité sont envisagées. Dans un premier temps, nous considérons les problématiques liées aux sources dans trafics multiples chacune dotée de caractéristiques et contraintes spécifiques. Garantir des communications avec une qualité de services (Quality of Service - QoS) différenciée, comme par exemple une faible latence et un taux élevé de paquets correctement délivrés, est un véritable challenge dans les réseaux denses et à sauts multiples, principalement en raison des restrictions énergétiques imposées par les nœuds. Pour pallier ce problème, un protocole MAC adaptatif basé sur une approche asynchrone de l'échantillonnage de préambule (Preamble Sampling - PS) est proposé ; il consiste en une méthode MAC de préservation de l'énergie, couplée à l'utilisation d'un instant de rendez-vous pour la transmission des données. Le protocole proposé, LA-MAC pour Low-Latency MAC, permet de garantir de façon efficace le transport de messages au travers d'un réseau multi-sauts grâce à la transmission d'agrégats de données (bursts). Lorsque des messages doivent être transmis, chaque récepteur se comporte comme un coordinateur dont le but est d'organiser de façon efficace la transmission de tous les émetteurs en concurrence pour l'accès au canal. L'innovation du protocole proposé réside dans la combinaison de ces préambules enrichis de type PS afin d'ordonnancer localement les transmissions des données de manière à proscrire, ou au moins réduire les collisions. De vastes campagnes de simulations numériques corroborent la supériorité de LA-MAC en termes de latence, de taux de paquets correctement délivrés et de consommation énergétique par rapport à d'autres protocoles présentés dans l'état de l'art. Les protocoles MAC permettent indubitablement de réduire le gaspillage énergétique puisqu'ils administrent l'utilisation des équipements radio qui constituent la part des nœuds la plus gourmande d'un point de vue énergétique. L'évaluation précise et rigoureuse de la consommation énergétique des réseaux de capteurs denses basés sur des méthodes MAC de preamble sampling n'est pas une chose aisée. Dans cette thèse nous proposons un modèle analytique qui permet l'évaluation énergétique de méthodes basées sur le preamble sampling et qui dépend de la charge locale instantané du trafic ; ce modèle analytique est indépendant du modèle de trafic pour le réseau, qu'il soit hétérogène ou non. L'approche proposée est flexible et peut très facilement être appliquée pour analyser l'efficacité d'autres protocoles PS. Des simulations numériques viennent confirmer les expressions analytiques, corroborant ainsi le modèle proposé pour l'évaluation énergétique. Dans un second temps, nous étudions des réseaux dynamiques de capteurs sans fil, dont la densité de nœuds varie en temps et en espace. De tels réseaux sont caractérisés par une haute dynamique en termes de densité de nœuds. Cette densité des nœuds dans le réseau peut se définir comme étant le nombre de dispositifs avec des données à émettre par mètre carré. De rapides variations de densité de nœuds peuvent affecter l'état du réseau. En effet, de brusques augmentations de la densité résultent en un accroissement du taux de paquets perdus en raison d'une hausse de la probabilité de collision des trames. En outre, une baisse de la densité des nœuds peut causer un gaspillage énergétique dû à une écoute oisive (idle listening, i.e., de l'énergie est utilisée inutilement pour écouter le canal). Dans ce mémoire, nous traitons des réseaux dynamiques de capteurs sans fils dans lesquels les nœuds et les liens radio entre ces nœuds peuvent apparaître ou disparaître au cours du temps en raison de l'épuisement de leurs batterie, de leur mobilité, ou de toute autre opération d'administration du réseau, comme par exemple le déploiement de nœuds additionnels. Le travail présenté démontre qu'il est possible de fournir un support à la qualité de service (QoS) dans les réseaux dynamiques grâce à une méthode MAC adaptative et consciente de la densité, baptisée DA-MAC pour Density Aware MAC. Le protocole proposé offre une phase configurable d'écoute du canal au cours de laquelle les nœuds émettent des requêtes d'opportunités de transmission selon une méthode qui évite les collisions. Avec DA-MAC, les nœuds s'appuient sur la valeur de la densité locale et adaptent périodiquement les paramètres locaux qui régissent le protocole afin d'accéder au canal sans collision. L'efficacité du protocole proposé est présentée en comparaison d'autres protocoles de l'état de l'art dans de vastes campagnes de simulations numériques.