Wireless Self-adaptive Ad hoc and Sensor Networks: Energy Efficiency and Spatial Reuse - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Wireless Self-adaptive Ad hoc and Sensor Networks: Energy Efficiency and Spatial Reuse

Réseaux sans fil auto-adaptatifs: efficacité énergétique et réutilisation spatiale

Ichrak Amdouni
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 898418

Résumé

The need to maximize network lifetime in wireless ad hoc networks and especially in wireless sensor networks requires the use of energy efficient algorithms and protocols. Motivated by the fact that a node consumes the least energy when its radio is in sleep state, we achieve energy efficiency by scheduling nodes activity. Nodes are assigned time slots during which they can transmit and they can turn off their radio when they are neither ransmitting nor receiving. Compared to classical TDMA-based medium access scheme, spatial bandwidth use is optimized: non interfering nodes are able to share the same time slots, collisions are avoided and overhearing and interferences are reduced. In our work about time slots assignment, two cases are studied. First, when nodes require equal channel access, we use node coloring: Nodes having the same color do not interfere and a color is mapped to a time slot. In this context, we proposed the coloring algorithm OSERENA. Second, when nodes have heterogeneous traffic demands, we designed the traffic aware time slot assignment algorithm TRASA. In this algorithm, any node is assigned a number of slots proportional to its medium access time needs. We show that reducing the number of colors for OSERENA and the number of slots for TRASA increases the amount of energy saved and decreases data transmission delays. Unlike the majority of previous works, we generalize the definition of node coloring and slot allocation problems. Indeed, we set the maximum distance between two interfering nodes as a parameter of these problems. We prove that they are NP-complete, making heuristic approaches inevitable in practice. In addition to the energy resource scarcity, wireless ad hoc and sensor networks have many other constraints. A sensor is a tiny device with small amount of memory and storage space. Also, these networks are prone to the unreliability of wireless communications. That is why, a central directive of this thesis is to design self-adaptive solutions. This adaptivity concerns many aspects such as the mission given by the application, the heterogeneity of node traffic demands, the network density, the regularity of network topology, and the failure of wireless links. More precisely, we made the following contributions: (1) Using a cross layer with the application allows us to define two coloring modes: one adapted to general applications, and the second to data gathering applications. We prove that this adaptation reduces the coloring algorithm overhead. (2) TRASA is defined for data gathering applications while adapting to the heterogeneous numbers of packets to transmit. It allocates to each node a medium access time proportional to its traffic demand. (3) OSERENA scales for dense wireless networks; it uses a message whose size depends neither on the density nor on the number of nodes. Furthermore, compared to an existing coloring algorithm called SERENA, OSERENA reduces the amount of data stored by sensors. (4) We propose VCM, a coloring solution for grid wireless networks. This solution profits from the regularity of this topology and performs a periodic coloring by tiling a color pattern. (5) We enhance the robustness of the known algorithm SERENA to support unreliable links in data gathering applications: after topology changes, nodes can keep their initial colors without creating interferences. All these algorithms and protocols have been implemented and simulated on configurations of wireless networks. Furthermore, we participated in the OCARI project that targets wireless sensor networks in industrial environments. We collaborated to implement and integrate OSERENA in a real testbed of sensors coupled with a new version of the known energy efficient routing protocol EOLSR adapted to data gathering applications.
La nécessité de maximiser la durée de vie du réseau sans fil dans les réseaux ad hoc et en particulier dans les réseaux de capteurs sans fil nécessite l'utilisation d'algorithmes d'efficacité énergétique. Motivée par le fait qu'un noeud consomme le moins d'énergie lorsqu'il est en veille, nous réalisons l'efficacité énergétique vi des algorithmes d'ordonnancement des activités des noeuds. Les noeuds reçoivent des slots temporels durant lesquels ils peuvent transmettre et ils peuvent éteindre leur radio quand ils ne sont ni en train de transmettre, ni en train de recevoir. Par rapport au TDMA classique, l'utilisation de la bande passante est optimisée: deux noeuds interférents ne partagent pas les mêmes slots. Dans notre travail sur l'ordonnancement, deux cas sont étudiés. Tout d'abord, lorsque les nœuds nécessitent le même temps d'accès au canal, nous utilisons le coloriage des nœuds. Deuxièmement, lorsque les nœuds requièrent des débits hétérogènes, nous utilisons une allocation de slots " traffic aware ". Contrairement à la majorité des travaux antérieurs, nous généralisons la définition du coloriage des noeuds et les problèmes d'attribution des slots. En effet, nous considérons que la distance maximale entre deux nœuds interférents est un paramètre de ces problèmes. Nous prouvons qu'ils sont NP-complets, ce qui rend inévitable l'utilisation des heuristiques dans la pratique. Une directive centrale de cette thèse est de concevoir des solutions auto-adaptatives. Cette adaptabilité concerne de nombreux aspects tels que la mission confiée par l'application, l'hétérogénéité des demandes de trafic de nœuds, la densité du réseau, de la régularité de la topologie du réseau, et la non fiabilité des liens sans fil.
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Dates et versions

tel-00808651 , version 1 (05-04-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00808651 , version 1

Citer

Ichrak Amdouni. Wireless Self-adaptive Ad hoc and Sensor Networks: Energy Efficiency and Spatial Reuse. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00808651⟩
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