Bandwidth and Energy Consumption Tradeoff for IEEE 802.15.4 in Multihop Topologies

IEEE 802.15.4, Multi-hop,ZigBee,WSNwe analyze IEEE 802.15.4 mechanisms including node organization, MAC mechanisms, energy conservation, topology construction and node association. We detail how we should modify IEEE 802.15.4 to cope efficiently with multihop topologies, scheduling the transmissions. We quantify the impact of the cluster-tree algorithm on the network performances. We expose how the overall throughput can be improved with a novel cluster-tree construction algorithm defined formally as a Mixed Integer Linear Programming formulation. We quantify the impact of each parameter on the performances of IEEE 802.15.4. In particular, we present a self-configuration algorithm to dynamically adjust the Backoff Exponent so that the protocol always operates in optimal conditions

Analyse des performances d'un réseau de capteurs exploitant le standard IEEE 802.15.4

Les réseaux de capteurs suscitent un engouement croissant du fait du grand nombre d'applications mais également des défis inhérents à ce genre de réseaux. Le standard IEEE 802.15.4 a été proposé afin de standardiser les couches physique et MAC. Dans ce travail nous avons dans un premier temps proposé une variante multi-canal pour le standard 802.15.4 permettant de résoudre le problème de collisions de supertrames. Pour cela nous proposons de construire un réseau en arbre avec la particularité que chaque cellule du réseau utilise un canal différent permettant ainsi une réduction conséquente des interférences et augmente la capacité du réseau. Nous avons également introduit un nouveau mécanisme de construction de topologie, d'allocation de canal et d'ordonnancement de supertrames nécessaire au bon fonctionnement d'une telle solution. Dans un deuxième temps nous avons analysé l'impact des différents paramètres de la méthode d'accès du standard. Nous avons mis en exergue les faiblesses de la méthode d'accès dont les performances baissent drastiquement pour des réseaux trop importants. Partant de ce constat, nous avons proposé des mécanismes d'auto-adaptation pour la méthode d'accès du standard. Ces derniers permettent d'adapter dynamiquement la taille des fenêtres de contention en fonction des conditions de trafic observées sur le canal. Le calcul des valeurs optimales est exécuté par chaque coordinateur pour résoudre le problème de surdité. Ces mécanismes sont distribués et convergent rapidement même en cas de trafic en rafales.An increasing interest has been observed in Wirless Sensor Network that can be explained by wide range of WSN applications as well as by the challenges involving the constraints of this type of networks. The IEEE 802.15.4 standard has been proposed with the objective of standardizing the physical and MAC layers. In this work, we have firstly proposed an alternative multichannel scheme for the IEEE 802.15.4 standard. It is able to solve the problem of superframe collisions based on a cluster-tree topology approach in which each cluster uses a different channel allowing the reduction of the interference and increased network capacity. We have also difined a novel mechanism for topology construction, channel allocation, and superframe scheduling. Secondly, we have analyzed the impact of different parameters on the medium access control. We have shown the weakness of the medium access method proposed in the standard. For instance, we have observed a decrease in performance when the standard is applied in large networks. Motivated by the analysis and its results we have then proposed auto-adaptive mechanisms for the medium access control. They allow to dynamically adapt the size of the contention window according to the observed traffic conditions. Each coordinator computes the optimal values to avoid deafness. The proposed mechanisms rapidly converge even in the case of bursty traffic.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Performance Analysis of Wirless Sensor Networks Exploiting the Standard IEEE 802.15.4

Les réseaux de capteurs suscitent un engouement croissant du fait du grand nombre d'applications mais également des défis inhérents à ce genre de réseaux. Le standard IEEE 802.15.4 a été proposé afin de standardiser les couches physique et MAC. Dans ce travail nous avons dans un premier temps proposé une variante multi-canal pour le standard 802.15.4 permettant de résoudre le problème de collisions de supertrames. Pour cela nous proposons de construire un réseau en arbre avec la particularité que chaque cellule du réseau utilise un canal différent permettant ainsi une réduction conséquente des interférences et augmente la capacité du réseau. Nous avons également introduit un nouveau mécanisme de construction de topologie, d'allocation de canal et d'ordonnancement de supertrames nécessaire au bon fonctionnement d'une telle solution. Dans un deuxième temps nous avons analysé l'impact des différents paramètres de la méthode d'accès du standard. Nous avons mis en exergue les faiblesses de la méthode d'accès dont les performances baissent drastiquement pour des réseaux trop importants. Partant de ce constat, nous avons proposé des mécanismes d'auto-adaptation pour la méthode d'accès du standard. Ces derniers permettent d'adapter dynamiquement la taille des fenêtres de contention en fonction des conditions de trafic observées sur le canal. Le calcul des valeurs optimales est exécuté par chaque coordinateur pour résoudre le problème de surdité. Ces mécanismes sont distribués et convergent rapidement même en cas de trafic en rafales.An increasing interest has been observed in Wirless Sensor Network that can be explained by wide range of WSN applications as well as by the challenges involving the constraints of this type of networks. The IEEE 802.15.4 standard has been proposed with the objective of standardizing the physical and MAC layers. In this work, we have firstly proposed an alternative multichannel scheme for the IEEE 802.15.4 standard. It is able to solve the problem of superframe collisions based on a cluster-tree topology approach in which each cluster uses a different channel allowing the reduction of the interference and increased network capacity. We have also difined a novel mechanism for topology construction, channel allocation, and superframe scheduling. Secondly, we have analyzed the impact of different parameters on the medium access control. We have shown the weakness of the medium access method proposed in the standard. For instance, we have observed a decrease in performance when the standard is applied in large networks. Motivated by the analysis and its results we have then proposed auto-adaptive mechanisms for the medium access control. They allow to dynamically adapt the size of the contention window according to the observed traffic conditions. Each coordinator computes the optimal values to avoid deafness. The proposed mechanisms rapidly converge even in the case of bursty traffic

Analyse des performances d'un réseau de capteurs exploitant le standard IEEE 802.15.4

An increasing interest has been observed in Wirless Sensor Network that can be explained by wide range of WSN applications as well as by the challenges involving the constraints of this type of networks. The IEEE 802.15.4 standard has been proposed with the objective of standardizing the physical and MAC layers. In this work, we have firstly proposed an alternative multichannel scheme for the IEEE 802.15.4 standard. It is able to solve the problem of superframe collisions based on a cluster-tree topology approach in which each cluster uses a different channel allowing the reduction of the interference and increased network capacity. We have also difined a novel mechanism for topology construction, channel allocation, and superframe scheduling. Secondly, we have analyzed the impact of different parameters on the medium access control. We have shown the weakness of the medium access method proposed in the standard. For instance, we have observed a decrease in performance when the standard is applied in large networks. Motivated by the analysis and its results we have then proposed auto-adaptive mechanisms for the medium access control. They allow to dynamically adapt the size of the contention window according to the observed traffic conditions. Each coordinator computes the optimal values to avoid deafness. The proposed mechanisms rapidly converge even in the case of bursty traffic.Les réseaux de capteurs suscitent un engouement croissant du fait du grand nombre d'applications mais également des défis inhérents à ce genre de réseaux. Le standard IEEE 802.15.4 a été proposé afin de standardiser les couches physique et MAC. Dans ce travail nous avons dans un premier temps proposé une variante multi-canal pour le standard 802.15.4 permettant de résoudre le problème de collisions de supertrames. Pour cela nous proposons de construire un réseau en arbre avec la particularité que chaque cellule du réseau utilise un canal différent permettant ainsi une réduction conséquente des interférences et augmente la capacité du réseau. Nous avons également introduit un nouveau mécanisme de construction de topologie, d'allocation de canal et d'ordonnancement de supertrames nécessaire au bon fonctionnement d'une telle solution. Dans un deuxième temps nous avons analysé l'impact des différents paramètres de la méthode d'accès du standard. Nous avons mis en exergue les faiblesses de la méthode d'accès dont les performances baissent drastiquement pour des réseaux trop importants. Partant de ce constat, nous avons proposé des mécanismes d'auto-adaptation pour la méthode d'accès du standard. Ces derniers permettent d'adapter dynamiquement la taille des fenêtres de contention en fonction des conditions de trafic observées sur le canal. Le calcul des valeurs optimales est exécuté par chaque coordinateur pour résoudre le problème de surdité. Ces mécanismes sont distribués et convergent rapidement même en cas de trafic en rafales

Multi-Channel Cluster Tree for 802.15.4 Wireless Sensor Networks

Selective A - Session: MAC12: MAC for mesh, ad hoc, relay, and sensor networks IIInternational audienceWe propose MCCT (Multi-Channel Cluster Tree), a cluster-tree construction protocol for nodes in IEEE 802.15.4 beacon-enabled mode. By multiplexing transmissions across orthogonal channels, we reduce collisions between control and data frames, which leads to better packet delivery rate and fairness. We propose a method for constructing a cluster-tree suitable for minimizing beacon collisions. The protocol builds on a neighbor discovery procedure that uses a dedicated control channel while still sticking to the superframe structure of IEEE 802.15.4. We also specify a channel assignment and superframe scheduling method that takes into account channel diversity. We evaluate the proposed protocol through simulation and compare with other proposals: standard 802.15.4 and a representative of distributed solutions to the superframe scheduling problem - MeshMAC. The simulation results show that MCCT significantly improves packet delivery ratio, delay, and fairness. It also results in very good packet delivery ratio for increased network density

Adaptive IEEE 802.15.4 MAC for Throughput and Energy Optimization

Selective AInternational audienceIEEE 802.15.4 defines a popular MAC standard for wireless sensor and actuator networks. With the default parameters, under medium to high load, 802.15.4 generates excessive collisions and packet losses. Low duty cycles even exacerbate the problem, because more nodes become active after long periods of sleep and contend for channel access. In this paper, we have applied the models that led to the Idle Sense access method for 802.11 to the 802.15.4 slotted CSMA/CA, taking into account the central role of the coordinator and also the bursty nature of the traffic. Surprisingly, the approach perfectly applies to 802.15.4 even if the principles of the two access methods fundamentally differ. Based on the model, we propose ABE, an adaptation method that adjusts the contention window to optimal values so that the network obtains high throughput along with low duty cycles leading to low energy consumption. The method converges to near-optimal backoff values even under bursty traffic and for any number of contending nodes.no abstrac