Building a more sustainable sensor network via protocol innovation

Traditionally, network protocols are designed based on the assumptions that network is powered by small batteries with scarce energy supply. However, emerging energy replenishment technologies such as ambient energy harvesting, wireless energy transferring, etc., provide alternatives to address the energy constraint problem but also introduce new challenges (e.g., energy heterogeneity). Been the core to achieve network sustainability, novel network protocols shall be designed to better exploit energy availabilities and tackle new challenges or issues exposed by emerging energy replenishment technologies. In this dissertation, we study how to build a more sustainable sensor network via network protocol innovation. Specifically, the study is conducted in four directions. First of all, we study how to improve energy utilization efficiency on individual sensor nodes as a foundation to improve the network sustainability. Secondly, we study how to prolong the network lifetime as a whole through dynamically and collaboratively tuning MAC layer operational parameters between neighboring nodes. Thirdly, we study the cross-layer design technique and propose a holistic routing and MAC protocol to further prolong the network lifetime. Fourthly, with given sensing coverage constraints, we jointly optimize the routing and sensing behaviors to further improve the network sustainability

Energy Efficiency inWireless Sensor Networks: Transmission Protocols and Performance Evaluation

Doktorgradsavhandling, Fakultet for teknologi og realfag, Universitetet i Agder, 2016Energy efficiency is one of the major goals for achieving green wireless communications. The recent growth in ubiquitous wireless connections and multimedia applications demands higher energy efficiency for wireless communications. As a part of this picture, wireless sensor networks (WSNs) need to be more energy efficient since the battery capacity of nodes in such networks is limited in the absence of energy harvesting sources. In general, an energy efficient protocol should perform as few as possible operations when delivering user information successfully across the network. Energy efficient data transmission schemes could utilize network resources more effectively to lower down the energy consumption level. In this dissertation research, we focus on improving energy efficiency for data transmission and medium access control (MAC) protocols in WSNs. While energy consumption is inevitable for transmitting and receiving data in a WSN, the other typical and dominant energy consumption activities are idle listening, overhearing, and retransmissions due to unsuccessful transmission attempts. An energy efficient MAC protocol conserves energy by minimizing all these auxiliary operations in order to prolong network lifetime. On the other hand, balanced energy consumption among nodes which mitigates energy hole across a WSN also helps to extend network lifetime. In this context, we propose two cooperative transmission (CT) based energy balancingMAC protocols for the purpose of WSN lifetime prolongation. The first one is an asynchronous cooperative transmission MAC protocol, in which nodes generate their own wakeup schedules based on their level number in a WSN topology. The second one is a receiver initiated cooperative transmission MAC protocol in which the CT is initiated by a relay node. It is demonstrated that both proposed CT MAC protocols are able to achieve significantly extended network lifetime. In addition, an energy conserving sleeping mechanism for synchronous duty cycling MAC protocols is also proposed in this thesis. It is an eventtriggered sleeping (ETS) mechanism, which triggers the sleep mode of a node based on the incoming traffic pattern to that node. The ETS mechanism eliminates overhearing in a WSN and achieves higher energy efficiency. Furthermore, we apply packet aggregation at the MAC layer in WSNs for achieving more energy efficient data transmission. In aggregated packet transmission (APT), multiple packets are transmitted as a batch in a frame within a single duty cycle instead of transmitting merely one packet per cycle. Numerical results demonstrate that APT achieves higher throughput and shorter delay, in addition to higher energy efficiency. To evaluate the performance of the proposed MAC protocols and transmission schemes, we develop discrete time Markov chain (DTMC) models and verify them by comparing the results obtained from both analysis and discrete-event based simulations. The analytical and simulation results match precisely with each other, confirming the effectiveness of the proposed protocols and schemes as well as the accuracy of the developed models

Modelado y evaluación de prestaciones de redes de sensores inalámbricos heterogéneos con ciclo de trabajo síncrono

[ES] Las redes de sensores inalámbricas (WSN) han experimentado un resurgimiento debido al desarrollo de la Internet de las Cosas (IoT). Una de las características de las aplicaciones de la IoT es la necesidad de hacer uso de dispositivos sensores y actuadores. En aplicaciones como automatización de edificios, de gestión energética, industriales o de salud, los nodos sensores que componen la WSN, transmiten información a un colector central o sink. La información es posteriormente procesada, analizada y utilizada para propósitos específicos. En cada una de estas aplicaciones, los dispositivos sensores pueden considerarse como parte de una WSN. En ese sentido el modelado y la evaluación de las prestaciones en las WSN es importante, ya que permite obtener una visión más clara de su comportamiento, facilitando un adecuado diseño y una exitosa puesta en operación. En el presente trabajo de tesis se han desarrollado modelos matemáticos para evaluar las prestaciones de WSN, los cuales están basados en Cadenas de Markov en Tiempo Discreto (DTMC). Los parámetros de prestaciones elegidos para la evaluación son: energía consumida promedio, eficiencia energética, caudal cursado y retardo promedio de los paquetes. Los resultados que se han obtenido han sido validados por medio de simulación basada en eventos discretos (DES). Existen estudios de WSN en escenarios homogéneos, donde los nodos que componen la red inalámbrica son del mismo tipo y tienen las mismas características de operación. En estos análisis se definen WSN homogéneas compuestas por un nodo central o sumidero (sink), que recibe la información de los nodos sensores localizados alrededor, formando una célula o cluster. Estos nodos realizan las transmisiones en SPT (Single Packet Transmission), enviando un solo paquete por ciclo de transmisión. Sin embargo, es posible encontrar, más ahora con el desarrollo de la IoT, escenarios donde coexisten distintos tipos de nodos, con características diferentes y, por tanto, con requerimientos de operación específicos. Esto da lugar a la formación de clusters cuyos nodos tienen aplicaciones distintas, desigual consumo de energía, diversas tasas de trasmisión de datos, e incluso diferentes prioridades de acceso al canal de transmisión. Este tipo de escenarios, que denominamos heterogéneos, forman parte de los escenarios estudiados en el presente trabajo de tesis. En una primera parte, se ha desarrollado un modelo para evaluar las prestaciones de una WSN heterogénea y con prioridades de acceso al medio. El modelado incluye un par de DTMC de dos dimensiones (2D-DTMC) cada una, cuya solución en términos de la distribución de probabilidad estacionaria, es utilizada para determinar los parámetros de prestaciones. Se desarrollan, por tanto, expresiones cerradas para los parámetros de prestaciones, en función de la distribución estacionaria que se ha obtenido a partir de la solución de las 2D-DTMC. En una segunda parte, se desarrolla un modelo analítico también pensado para escenarios heterogéneos y con prioridades, pero en el que los nodos de la WSN, cuando consiguen acceso al canal, transmiten un conjunto de paquetes en vez de uno solo como en el modelo de la primera parte. Estos dos modos de operación de los sensores los denominamos aggregated packet trans- mission (APT) y single packet transmission (SPT), respectivamente. El número de paquetes que un nodo funcionando en APT trasmite cuando accede al canal es el menor entre un parámetro configurable y el número de paquetes que tuviera en la cola en ese momento. Este modo de operación consigue una mayor eficiencia energética y un aumento en el caudal cursado, además de una disminución en el retardo promedio de los paquetes. En una tercera parte, se propone un nuevo procedimiento analítico para la determinación del consumo energético de los nodos que conforman una WSN. A diferencia de los métodos de cálculo anteriores, la nueva prop[CA] Les xarxes de sensors sense fils (WSN) han experimentat un ressorgiment causa de al desenvolupament de la Internet de les Coses (IoT). Una de les característiques de IoT és la inclusió, en les seves aplicacions, de dispositius sensors i actuadors. En aplicacions com automatització d'edificis, de gestió energètica, industrials o de salut, els nodes sensors que componen la WSN, transmeten informació a un col·lector central o sink. La informació és posteriorment processada, analitzada i utilitzada per a propòsits específics. En cadascuna d'aquestes aplicacions, els dispositius sensors poden considerar com a part d'una WSN. En aquest sentit el modelitzat i l'avaluació de l'acompliment en les WSN és important, ja que permet obtenir una visió més clara del seu comportament, facilitant un adequat disseny i una exitosa posada en operació. En el present treball de tesi s'han desenvolupat models matemàtics per avaluar l'acompliment de WSN, els quals estan basats en Cadenes de Markov en Temps Discret (DTMC). Els paràmetres d'acompliment obtinguts per a l'avaluació són: energia consumida mitjana, eficiència energètica, cabal cursat i retard mitjà dels paquets. Els resultats que s'han obtingut, han estat validats per mitjà de simulació basada en esdeveniments discrets (DES). Existeixen estudis de WSN en escenaris homogenis, on els nodes que componen la xarxa sense fils són de el mateix tipus i tenen les mateixes característiques d'operació. En aquests anàlisis prèvies es defineixen WSN homogènies compostes per un node central o embornal (sink), que rep la informació dels nodes sensors localitzats al voltant, formant una cèl·lula o cluster. Aquests nodes realitzen les transmissió en SPT (Single Packet Transmission), és a dir, enviant un sol paquet cada vegada que transmeten. No obstant això, és possible trobar, més ara amb el desenvolupament de la IOT, escenaris on hi ha una coexistència de distints tipus de nodes, amb característiques diferents i, per tant, amb requeriments d'operació específics. Això dona lloc a formació de clusters els nodes tenen aplicacions diferents, desigual consum d'energia, diverses taxes de transmissió de dades, i fins i tot diferent prioritats d'accés a canal de transmissió. Aquest tipus d'escenaris, que anomenem heterogenis, formen part dels escenaris estudiats en el present treball de tesi. En una primera part, s'ha desenvolupat un model per avaluar l'acompliment d'una WSN heterogènia i amb prioritats d'accés al medi. El modelitzat inclou un parell DTMC de dues dimensions (2D-DTMC), la solució en termes de la distribució estacionària de probabilitat, és utilitzada per obtenir posteriorment els paràmetres d'acompliment. Es desenvolupen, per tant, expressions tancades per a la determinació dels paràmetres d'acompliment, on és substituïda la distribució estacionària que s'ha obtingut a partir de la solució de les 2D-DTMC. En una segona part, es desenvolupa un model, en el qual els nodes pertanyents a la WSN, poden transmetre els seus paquets en agregat (APT) en escenaris heterogenis i amb prioritats. A diferència del model anterior, on els nodes transmeten un paquet per cicle (SPT), en APT els nodes poden transmetre més d'un paquet. Això porta com a conseqüència una major eficiència energètica, a més d'un augment en el cabal cursat i disminució en el retard mitjana. En una tercera part, es proposa un nou desenvolupament analític per a la determinació del consum energètic dels nodes que conformen una WSN. A diferència de les expressions utilitzades anteriorment per al càlcul del consum energètic, aquesta proposta alternativa permet obtenir resultats més precisos a través del desenvolupament d'expressions més intuïtives i sistemàtiques. Amb aquest nou procediment, es realitzen estudis energètics per WSN en escenaris homogenis i heterogenis.[EN] Wireless sensor networks (WSN) have experienced a resurgence due to the development of the Internet of Things (IoT). One of the characteristics of IoT is the deployment of applications that require sensor devices and actuators. In applications such as building automation, energy management, industrial or health, the sensor nodes that make up the WSN transmit information to a central collector or sink. The information is processed, analyzed, and used for specific purposes. In each of these applications, the sensor devices can be considered part of a WSN. In this sense, the modeling and performance evaluation of WSN is important, since it allows obtaining a clearer vision of their behavior, facilitating an adequate design and a successful operation. In the present thesis, analytical models based on Discrete Time Markov Chains (DTMC) have been developed to evaluate the performance of WSN. The parameters defined for the performance evaluation are: average consumed energy, energy efficiency, throughput and average packet delay. The obtained results have been validated by means of discrete event simulation (DES). There are studies of WSN in homogeneous scenarios, where the nodes that compose the WSN are of the same type and have the same operating characteristics. In these previous studies, homogeneous WSN are defined as a cell or cluster composed of a central node or sink, which receives the information from the sensor nodes located around it. These nodes operate in SPT (Single Packet Transmission), sending a single packet per transmission cycle. However, it is possible to find, especially now with the development of the IoT, scenarios where different types of nodes coexist, although they have different characteristics or specific operational requirements. This results in the formation of clusters whose nodes have different applications, uneven power consumption, different data transmission rates, and even different priorities for access to the transmission channel. These types of scenarios, which we call heterogeneous, are part of the scenarios studied in this thesis work. In the first part, a model has been developed to evaluate the performance of a heterogeneous WSN and with priorities to access a common channel. The model includes a two-dimensional DTMC pair (2D-DTMC), whose solution in terms of the stationary probability distribution is used to obtain the performance parameters. Closed expressions are provided for the determination of performance parameters of interest, given in terms of the stationary distribution of the 2D-DTMC. In a second part, an analytical model is developed to evaluate the performance of a heterogeneous WSN, where nodes operate in aggregate packet transmission (APT) mode and deploy different channel access priorities. Un like the previous model, where the nodes transmit one packet per cycle (SPT) when they gain access to the channel, in APT the nodes can transmit a number of packets larger than one, that is the minimum between a configurable parameter and the number of packets in the packet queue of the node. This results in greater energy efficiency and throughput, while decreases the average packet delay. In a third part, a new analytical model is proposed to determine the energy consumption of the nodes that make up a WSN. Unlike previous computation procedures, this alternative proposal is based on more intuitive and systematic expressions and allows to obtain more accurate results. With this new procedure, energy studies are performed for WSN in homogeneous and heterogeneous scenarios.Este trabajo se ha desarrollado en el marco de los siguientes proyectos de investigación: Platform of Services for Smart Cities with Dense Machine to Machine Networks, PLASMA, TIN2013-47272-C2-1-R and New Paradigms of Elastic Networks for a World Radically Based on Cloud and Fog Computing, Elastic Networks, TEC2015-71932-REDT. También quisiera agradecer el apoyo recibido por parte de the European Union under the program Erasmus Mundus Partnerships, project EuroinkaNet, GRANT AGREEMENT NUMBER - 2014-0870/001/001 y La Secretaria de Educación Pública (México), bajo el Programa para el Desarrollo Profesional Docente: SEP-SES (DSA/103.5/15/6629).Portillo Jiménez, C. (2021). Modelado y evaluación de prestaciones de redes de sensores inalámbricos heterogéneos con ciclo de trabajo síncrono [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171275TESI