Cascading Tournament Algorithm: Low Power, High Capacity Medium Sharing for Wireless Sensor Networks
Résumé
Existing Medium Access Control protocols for Wireless Sensor Networks reduce the radio activity to improve network lifetime, at the expense of a reduced network capacity. Those protocols are ill-suited for energy constrained sensor networks that must support spatially and temporally heterogeneous traffic loads. This paper proposes a novel multi-ressource allocation algorithm and describes its implementation as a medium access control protocol for Wireless Sensor Networks. The algorithm, named Cascading Tournament (CT), is a localized, dynamic, joint contention/allocation algorithm. It relies on cascading iterations of tournaments to allocate a multiplicity of ressources to a multiplicity of winners. CT-MAC is an implementation of CT as a medium access protocol. By allocating multiple logicals channels allocation at each competition, CT-MAC improves the network capacity at a given duty-cycle or decreases the energy expenditure of the MAC layer at a given network capacity. Extensive simulations highlight the benefits of CT-MAC in both single-hop and multiple-hop scenarios through the computation of relevant performance metrics: power consumption, network capacity, delay and retransmissions. CT-MAC offers an unprecedented trade-off between network capacity, energy efficiency and delay and stands out as a solid candidate for energy constrained sensor networks that must support heterogeneous traffic loads. Our simulations show that CT-MAC significantly outperforms the state-of-the-art SCP-MAC protocol.
Les protocoles d'accès au medium radio existants pour réseaux de capteurs sans-fil réduisent l'activité de la radio afin d'améliorer la durée de vie du réseau, et ce, au prix d'une diminution de la capacité du réseau. Ces protocoles sont peu adaptés pour les réseaux de capteurs contraints en énergie qui doivent supporter des trafics spatialement et temporellement hétérogènes. Ce rapport propose un algorithme d'allocation multi-ressources et décrit son implémentation sous forme de protocole de contrôle d'accès (MAC) au canal radio pour réseaux de capteurs. L'algorithme, appelé Cascading Tour- nament (CT), est un algorithme combiné de gestion de la contention/allocation localisé, dynamique et localisé. Il se repose sur des itérations de tournois en cascade pour allouer une pluralité de ressources à une pluralité de vainqueurs. CT-MAC est une implémentation de CT en tant que protocole MAC. En al- louant plusieurs canaux logiques à chaque compétition, CT-MAC améliore la capacité du réseau pour un cycle d'endormissement donné ou diminue la con- sommation énergétique de la couche MAC pour une capacité du réseau donnée. Une étude complète par simulation montre l'intérêt de CT-MAC dans des scé- narios de voisinage unique et multi-sauts. Ces simulations ont permis le calcul de métriques de performances pertinentes: consommation énergétique, capacité du réseau, délai et retransmissions. CT-MAC offre un compromis entre capacité du réseau et efficacité énergétique qui n'a pas de précédent. Il se présente donc comme un candidat sérieux pour les réseaux de capteurs contraints en énergie qui doivent supporter des trafics hétérogènes. Nos simulations ont montré que CT-MAC surpasse le protocole de l'état de l'art SCP-MAC.
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