Open Access

Marcin Brzozowski

• This work addresses tough challenges of sensor network applications with Quality of Service requirements. That is, nodes must work with batteries for a long time, support short end-to-end delays and robust communication in multi-hop networks. It starts with presenting previous research efforts that address such challenges. For instance, many Medium Access Control (MAC) protocols keep nodes mostly sleeping to save energy and synchronize wake-up times for communication. Although such protocols offer short end-to-end delays, they still suffer from long idle listening and shortened lifetimes. The main reasons are the long time needed to detect an idle channel and inefficient ways of dealing with clock drift. This work introduces novel solutions to these problems, mainly at Layer 2 of the OSI model, that significantly reduce idle listening. First, nodes predict future drift and reduce the time needed to compensate clock uncertainty among neighbors. Second, they quickly detect an idle channel and power down the transceiver. In someThis work addresses tough challenges of sensor network applications with Quality of Service requirements. That is, nodes must work with batteries for a long time, support short end-to-end delays and robust communication in multi-hop networks. It starts with presenting previous research efforts that address such challenges. For instance, many Medium Access Control (MAC) protocols keep nodes mostly sleeping to save energy and synchronize wake-up times for communication. Although such protocols offer short end-to-end delays, they still suffer from long idle listening and shortened lifetimes. The main reasons are the long time needed to detect an idle channel and inefficient ways of dealing with clock drift. This work introduces novel solutions to these problems, mainly at Layer 2 of the OSI model, that significantly reduce idle listening. First, nodes predict future drift and reduce the time needed to compensate clock uncertainty among neighbors. Second, they quickly detect an idle channel and power down the transceiver. In some scenarios, nodes work 30% longer owing to these solutions. To tackle problems with unreliable wireless links, sensor nodes may apply various solutions at Layer 2. For example, with Automatic Repeat reQuest (ARQ) protocol they send retries on frame losses, resulting in extra energy consumption. This work examines the impact of ARQ on the lifetime and on the reception rate. Several indoor and outdoor experiments showed that with only 1-2 retries nodes can handle many communication problems. Besides, owing to the idle-listening reduction, mentioned previously, ARQ shortens the lifetime by 10% only. Although this work addresses particular applications, the solutions presented here can be used in other scenarios and with different protocols. For instance, the energy-efficient drift compensation approach can be directly used in any schedule-based MAC protocols, like the one based on the IEEE 802.15.4 standard. Besides, any protocol can benefit from the solution to the idle-listening reduction based on the early detection of idle channel. Finally, owing to the analytical model that estimates the lifetime of nodes, researches and developers can early evaluate MAC protocols running on various hardware platforms.…
• Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Herausforderungen von Sensornetzanwendungen mit Quality-of-Service-Anforderungen. Die Sensorknoten in einer solchen Anwendung müssen über einen langen Zeitraum mit Batterien auskommen und gleichzeitig kurze Ende-zu-Ende-Verzögerungen und zuverlässigen Datenversand in einem Multi-Hop-Netzwerk unterstützen. Zunächst werden bisherige Forschungsarbeiten zu diesem Thema vorgestellt. Viele Medienzugriffsprotokolle (MAC) lassen die Knoten die meiste Zeit "schlafen", um Energie zu sparen, und synchronisieren die Wachzeiten, um Kommunikation zwischen den Knoten zu ermöglichen. Solche Protokolle unterstützen zwar kurze Ende-zu-Ende-Verzögerungen, jedoch wird aufgrund von sogenanntem Idle Listening (Abhören des Funkkanals und Warten auf Nachrichten) nur eine kurze Lebensdauer erreicht. Dies liegt zum einen daran, dass zuviel Zeit benötigt wird um festzustellen, dass das Medium inaktiv ist und zum anderen an ineffizienten Verfahren für die Kompensation der Uhrendrift. Diese Arbeit stellt neue Lösungen fürDiese Arbeit beschäftigt sich mit den Herausforderungen von Sensornetzanwendungen mit Quality-of-Service-Anforderungen. Die Sensorknoten in einer solchen Anwendung müssen über einen langen Zeitraum mit Batterien auskommen und gleichzeitig kurze Ende-zu-Ende-Verzögerungen und zuverlässigen Datenversand in einem Multi-Hop-Netzwerk unterstützen. Zunächst werden bisherige Forschungsarbeiten zu diesem Thema vorgestellt. Viele Medienzugriffsprotokolle (MAC) lassen die Knoten die meiste Zeit "schlafen", um Energie zu sparen, und synchronisieren die Wachzeiten, um Kommunikation zwischen den Knoten zu ermöglichen. Solche Protokolle unterstützen zwar kurze Ende-zu-Ende-Verzögerungen, jedoch wird aufgrund von sogenanntem Idle Listening (Abhören des Funkkanals und Warten auf Nachrichten) nur eine kurze Lebensdauer erreicht. Dies liegt zum einen daran, dass zuviel Zeit benötigt wird um festzustellen, dass das Medium inaktiv ist und zum anderen an ineffizienten Verfahren für die Kompensation der Uhrendrift. Diese Arbeit stellt neue Lösungen für diese Probleme vor, die das Idle Listening erheblich reduzieren und hauptsächlich auf der Schicht 2 des OSI-Modells implementiert werden. Erstens berechnen die Knoten die zukünftige Uhrendrift ihrer Nachbarn, wodurch Unsicherheiten bzgl. der Drift beseitigt werden. Zweitens wird die nötige Zeit für die Erkennung eines inaktiven Mediums und dem Abschalten des Transceivers verringert. Die Lebensdauer der Knoten kann damit um bis zu 30% gesteigert werden. Es gibt unterschiedliche Ansätze - implementiert in der OSI-Schicht 2 - um mit der Unzuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation umgehen. Bei Automatic Repeat reQuest (ARQ) z.B. werden Pakete bei Verlust noch einmal gesendet. Dies erhöht jedoch den Energieverbrauch. Die Auswirkungen von ARQ auf die Lebensdauer und die Empfangsrate wird daher in dieser Arbeit untersucht. Experimente haben gezeigt, dass schon ein bis zwei Wiederholungen ausreichen, um die meisten Kommunikationsprobleme zu beseitigen. Aufgrund der Verkürzung des Idle Listenings durch die oben genannten Lösungen verkürzt ARQ die Lebensdauer nur um 10%. Obwohl diese Arbeit nur bestimmte Anwendungen betrachtet, können die hier vorgestellten Lösungen auch in anderen Szenarieren und auf andere Protokolle angewandt werden. Zum Beispiel kann das energieeffiziente Verfahren zur Kompensation der Uhrendrift direkt in vielen MAC-Protokollen verwendet werden, z.B. im IEEE 802.15.4 MAC. Zudem kann jedes Protokoll von der Lösung für die schnelle Erkennung eines inaktiven Mediums und der daraus resultierenden Reduktion des Idle Listenings profitieren. Schließlich können Forscher und Entwickler das vorgestellte analytische Modell nutzen, um die Lebensdauer eines Sensornetzes beim Einsatz verschiedener MAC-Protokolle zu berechnen.…