The revenge of asynchronous protocols: Wake-up Radio-based Multi-hop Multi-channel MAC protocol for WSN

International audienceSynchronized MAC protocols are now considered as the ultimate solution to access the medium in wireless sensor networks. They guarantee both high throughout and constant latency and achieve reasonable energy consumption performance. However, synchronization is achieved at the cost of a complex framework with low flexibility on its parameters that is not suitable for some network topologies or application requirements. By contrast, asynchronous MAC protocols are versatile by nature but suffer from the tradeoff between energy consumption and latency. However, the addition of Wake-up Radio (WuR) can reduce the energy consumption of such protocols while maintaining very low latency thanks to its always-on feature and ultra-low power consumption. In this article, we present WuR- based Multi-hop Multi-channel (W2M), an asynchronous MAC protocol for wireless sensor networks. We also provide a fair comparison with Time Synchronized Channel Hopping (TSCH) through an extensive simulation campaign based on Contiki-NG and Cooja. Our results show that in low traffic scenarios, W2M outperforms TSCH in reducing both the energy consumption and the latency (at least 68% of energy is saved), but at the cost of slightly lower reliability

Nouveaux protocoles réseaux pour des réseaux IoT hétérogènes de Wake-up radio

The Internet of Things and the Wireless Sensor Networks are providing new ways to connect physical entities from the environment to the cybernetic world. This is made possible thanks to distributed embedded systems powered by batteries. The main challenge in these applications is to extend the battery lifetime as much as possible, which translates into minimizing the power consumption while keeping good quality network performance. In such systems, the wireless communication module is typically the most power-consuming one. As a consequence, traditional solutions to this challenge have used a duty-cycle approach at the medium access control layer (MAC) of the communication stack trading off latency for energy efficiency. Asynchronous protocols allow unscheduled communications, and their implementation is easy to deploy and operate. However, in many cases, synchronous protocols provide better performance. Wake-up radios are a new technology for wireless communications that allows holding asynchronous communications while favoring latency and energy consumption. This module is attached to a regular node as a secondary receiver that listens to the channel continuously while the main radio stays sleeping. Unfortunately, the sensitivity of the wake-up receiver is lower than that of the main radio, creating a range mismatch problem. The goal of this work is to propose new communication protocols taking advantage of this technology, aiming at keeping the low complexity of an asynchronous approach while allowing similar performance to that of a synchronous approach.L'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil offrent de nouvelles façons de connecter des entités physiques du monde réel au monde cybernétique. Ceci est réalisé grâce à des systèmes embarqués distribués, alimentés par des batteries. Le principal défi dans ces applications est de prolonger autant que possible la durée de vie de la batterie, ce qui se traduit par une minimisation de la consommation d'énergie, tout en conservant des performances réseau de bonne qualité. Dans ces systèmes, le module de communication sans fil est généralement celui qui consomme le plus d'énergie. En conséquence, les solutions traditionnelles à ce défi ont utilisé une approche de « duty-cycle » au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) de la pile de communication en sacrifiant la latence au profit de l'efficacité énergétique. Les protocoles asynchrones permettent des communications non programmées, et leur mise en œuvre est facile à déployer et à exploiter. Toutefois, dans plusieurs cas, les protocoles synchrones offrent de meilleures performances. La « wake-up radio » est une nouvelle technologie pour les communications sans fil qui permet de conserver des communications asynchrones tout en favorisant la latence et la consommation énergétique. Ce module est attaché à un nœud régulier comme récepteur secondaire qui écoute le canal en permanence pendant que la radio principale reste en veille. Malheureusement, la sensibilité de la « wake-up radio » est inférieure à celle de la radio principale, ce qui crée un problème de discordance de portée. L'objectif de ce travail est de proposer de nouveaux protocoles de communication tirant parti de cette nouvelle technologie, afin de conserver la simplicité d’une approche asynchrone tant en proposant de performances similaires aux approches synchrones

Nouveaux protocoles réseaux pour des réseaux IoT hétérogènes de Wake-up radio

The Internet of Things and the Wireless Sensor Networks are providing new ways to connect physical entities from the environment to the cybernetic world. This is made possible thanks to distributed embedded systems powered by batteries. The main challenge in these applications is to extend the battery lifetime as much as possible, which translates into minimizing the power consumption while keeping good quality network performance. In such systems, the wireless communication module is typically the most power-consuming one. As a consequence, traditional solutions to this challenge have used a duty-cycle approach at the medium access control layer (MAC) of the communication stack trading off latency for energy efficiency. Asynchronous protocols allow unscheduled communications, and their implementation is easy to deploy and operate. However, in many cases, synchronous protocols provide better performance. Wake-up radios are a new technology for wireless communications that allows holding asynchronous communications while favoring latency and energy consumption. This module is attached to a regular node as a secondary receiver that listens to the channel continuously while the main radio stays sleeping. Unfortunately, the sensitivity of the wake-up receiver is lower than that of the main radio, creating a range mismatch problem. The goal of this work is to propose new communication protocols taking advantage of this technology, aiming at keeping the low complexity of an asynchronous approach while allowing similar performance to that of a synchronous approach.L'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil offrent de nouvelles façons de connecter des entités physiques du monde réel au monde cybernétique. Ceci est réalisé grâce à des systèmes embarqués distribués, alimentés par des batteries. Le principal défi dans ces applications est de prolonger autant que possible la durée de vie de la batterie, ce qui se traduit par une minimisation de la consommation d'énergie, tout en conservant des performances réseau de bonne qualité. Dans ces systèmes, le module de communication sans fil est généralement celui qui consomme le plus d'énergie. En conséquence, les solutions traditionnelles à ce défi ont utilisé une approche de « duty-cycle » au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) de la pile de communication en sacrifiant la latence au profit de l'efficacité énergétique. Les protocoles asynchrones permettent des communications non programmées, et leur mise en œuvre est facile à déployer et à exploiter. Toutefois, dans plusieurs cas, les protocoles synchrones offrent de meilleures performances. La « wake-up radio » est une nouvelle technologie pour les communications sans fil qui permet de conserver des communications asynchrones tout en favorisant la latence et la consommation énergétique. Ce module est attaché à un nœud régulier comme récepteur secondaire qui écoute le canal en permanence pendant que la radio principale reste en veille. Malheureusement, la sensibilité de la « wake-up radio » est inférieure à celle de la radio principale, ce qui crée un problème de discordance de portée. L'objectif de ce travail est de proposer de nouveaux protocoles de communication tirant parti de cette nouvelle technologie, afin de conserver la simplicité d’une approche asynchrone tant en proposant de performances similaires aux approches synchrones

Nouveaux protocoles réseaux pour des réseaux IoT hétérogènes de Wake-up radio

L'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil offrent de nouvelles façons de connecter des entités physiques du monde réel au monde cybernétique. Ceci est réalisé grâce à des systèmes embarqués distribués, alimentés par des batteries. Le principal défi dans ces applications est de prolonger autant que possible la durée de vie de la batterie, ce qui se traduit par une minimisation de la consommation d'énergie, tout en conservant des performances réseau de bonne qualité. Dans ces systèmes, le module de communication sans fil est généralement celui qui consomme le plus d'énergie. En conséquence, les solutions traditionnelles à ce défi ont utilisé une approche de « duty-cycle » au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) de la pile de communication en sacrifiant la latence au profit de l'efficacité énergétique. Les protocoles asynchrones permettent des communications non programmées, et leur mise en œuvre est facile à déployer et à exploiter. Toutefois, dans plusieurs cas, les protocoles synchrones offrent de meilleures performances. La « wake-up radio » est une nouvelle technologie pour les communications sans fil qui permet de conserver des communications asynchrones tout en favorisant la latence et la consommation énergétique. Ce module est attaché à un nœud régulier comme récepteur secondaire qui écoute le canal en permanence pendant que la radio principale reste en veille. Malheureusement, la sensibilité de la « wake-up radio » est inférieure à celle de la radio principale, ce qui crée un problème de discordance de portée. L'objectif de ce travail est de proposer de nouveaux protocoles de communication tirant parti de cette nouvelle technologie, afin de conserver la simplicité d’une approche asynchrone tant en proposant de performances similaires aux approches synchrones.The Internet of Things and the Wireless Sensor Networks are providing new ways to connect physical entities from the environment to the cybernetic world. This is made possible thanks to distributed embedded systems powered by batteries. The main challenge in these applications is to extend the battery lifetime as much as possible, which translates into minimizing the power consumption while keeping good quality network performance. In such systems, the wireless communication module is typically the most power-consuming one. As a consequence, traditional solutions to this challenge have used a duty-cycle approach at the medium access control layer (MAC) of the communication stack trading off latency for energy efficiency. Asynchronous protocols allow unscheduled communications, and their implementation is easy to deploy and operate. However, in many cases, synchronous protocols provide better performance. Wake-up radios are a new technology for wireless communications that allows holding asynchronous communications while favoring latency and energy consumption. This module is attached to a regular node as a secondary receiver that listens to the channel continuously while the main radio stays sleeping. Unfortunately, the sensitivity of the wake-up receiver is lower than that of the main radio, creating a range mismatch problem. The goal of this work is to propose new communication protocols taking advantage of this technology, aiming at keeping the low complexity of an asynchronous approach while allowing similar performance to that of a synchronous approach

Nouveaux protocoles réseaux pour des réseaux IoT hétérogènes de Wake-up radio

The Internet of Things and the Wireless Sensor Networks are providing new ways to connect physical entities from the environment to the cybernetic world. This is made possible thanks to distributed embedded systems powered by batteries. The main challenge in these applications is to extend the battery lifetime as much as possible, which translates into minimizing the power consumption while keeping good quality network performance. In such systems, the wireless communication module is typically the most power-consuming one. As a consequence, traditional solutions to this challenge have used a duty-cycle approach at the medium access control layer (MAC) of the communication stack trading off latency for energy efficiency. Asynchronous protocols allow unscheduled communications, and their implementation is easy to deploy and operate. However, in many cases, synchronous protocols provide better performance. Wake-up radios are a new technology for wireless communications that allows holding asynchronous communications while favoring latency and energy consumption. This module is attached to a regular node as a secondary receiver that listens to the channel continuously while the main radio stays sleeping. Unfortunately, the sensitivity of the wake-up receiver is lower than that of the main radio, creating a range mismatch problem. The goal of this work is to propose new communication protocols taking advantage of this technology, aiming at keeping the low complexity of an asynchronous approach while allowing similar performance to that of a synchronous approach.L'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil offrent de nouvelles façons de connecter des entités physiques du monde réel au monde cybernétique. Ceci est réalisé grâce à des systèmes embarqués distribués, alimentés par des batteries. Le principal défi dans ces applications est de prolonger autant que possible la durée de vie de la batterie, ce qui se traduit par une minimisation de la consommation d'énergie, tout en conservant des performances réseau de bonne qualité. Dans ces systèmes, le module de communication sans fil est généralement celui qui consomme le plus d'énergie. En conséquence, les solutions traditionnelles à ce défi ont utilisé une approche de « duty-cycle » au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) de la pile de communication en sacrifiant la latence au profit de l'efficacité énergétique. Les protocoles asynchrones permettent des communications non programmées, et leur mise en œuvre est facile à déployer et à exploiter. Toutefois, dans plusieurs cas, les protocoles synchrones offrent de meilleures performances. La « wake-up radio » est une nouvelle technologie pour les communications sans fil qui permet de conserver des communications asynchrones tout en favorisant la latence et la consommation énergétique. Ce module est attaché à un nœud régulier comme récepteur secondaire qui écoute le canal en permanence pendant que la radio principale reste en veille. Malheureusement, la sensibilité de la « wake-up radio » est inférieure à celle de la radio principale, ce qui crée un problème de discordance de portée. L'objectif de ce travail est de proposer de nouveaux protocoles de communication tirant parti de cette nouvelle technologie, afin de conserver la simplicité d’une approche asynchrone tant en proposant de performances similaires aux approches synchrones

Nouveaux protocoles réseaux pour des réseaux IoT hétérogènes de Wake-up radio

The Internet of Things and the Wireless Sensor Networks are providing new ways to connect physical entities from the environment to the cybernetic world. This is made possible thanks to distributed embedded systems powered by batteries. The main challenge in these applications is to extend the battery lifetime as much as possible, which translates into minimizing the power consumption while keeping good quality network performance. In such systems, the wireless communication module is typically the most power-consuming one. As a consequence, traditional solutions to this challenge have used a duty-cycle approach at the medium access control layer (MAC) of the communication stack trading off latency for energy efficiency. Asynchronous protocols allow unscheduled communications, and their implementation is easy to deploy and operate. However, in many cases, synchronous protocols provide better performance. Wake-up radios are a new technology for wireless communications that allows holding asynchronous communications while favoring latency and energy consumption. This module is attached to a regular node as a secondary receiver that listens to the channel continuously while the main radio stays sleeping. Unfortunately, the sensitivity of the wake-up receiver is lower than that of the main radio, creating a range mismatch problem. The goal of this work is to propose new communication protocols taking advantage of this technology, aiming at keeping the low complexity of an asynchronous approach while allowing similar performance to that of a synchronous approach.L'Internet des objets et les réseaux de capteurs sans fil offrent de nouvelles façons de connecter des entités physiques du monde réel au monde cybernétique. Ceci est réalisé grâce à des systèmes embarqués distribués, alimentés par des batteries. Le principal défi dans ces applications est de prolonger autant que possible la durée de vie de la batterie, ce qui se traduit par une minimisation de la consommation d'énergie, tout en conservant des performances réseau de bonne qualité. Dans ces systèmes, le module de communication sans fil est généralement celui qui consomme le plus d'énergie. En conséquence, les solutions traditionnelles à ce défi ont utilisé une approche de « duty-cycle » au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) de la pile de communication en sacrifiant la latence au profit de l'efficacité énergétique. Les protocoles asynchrones permettent des communications non programmées, et leur mise en œuvre est facile à déployer et à exploiter. Toutefois, dans plusieurs cas, les protocoles synchrones offrent de meilleures performances. La « wake-up radio » est une nouvelle technologie pour les communications sans fil qui permet de conserver des communications asynchrones tout en favorisant la latence et la consommation énergétique. Ce module est attaché à un nœud régulier comme récepteur secondaire qui écoute le canal en permanence pendant que la radio principale reste en veille. Malheureusement, la sensibilité de la « wake-up radio » est inférieure à celle de la radio principale, ce qui crée un problème de discordance de portée. L'objectif de ce travail est de proposer de nouveaux protocoles de communication tirant parti de cette nouvelle technologie, afin de conserver la simplicité d’une approche asynchrone tant en proposant de performances similaires aux approches synchrones

eLoBaPS: Towards Energy Load Balancing with Wake-Up Radios for IoT

In an effort to extend the lifetime and reliability of multi-hop wireless sensor networks we recently presented LoBaPS, a protocol to select opportunistic parents and achieve load balancing. This algorithm takes advantage of the wake-up radio for its ultra-low power consumption and always-on feature. Moreover, it overcomes an open problem in the routing layer: achieving both stability and efficient parent selection at the same time. However, the random load balancing strategy and the energy wastage in listening mode still limits the network lifetime. In this article, we present eLoBaPS, a significant modification of LoBaPS that distributes better the energy among the parents improving around 17% the lifetime of the network towards the ideal case. In a nutshell, the next hop is selected in a decentralized way and it is the parent that issues a shorter back-off period before attempting to retransmit. In addition, the nodes overhear all the traffic in the wake-up radio channel and adapt the protocol parameters to the current state of the battery of the neighbors. We perform simulations with a network of ContikiOS nodes running eLoBaPS, LoBaPS and W-MAC, a reference protocol that uses the wake-up radio