Milica Jovanović

Višekanalni MAC protokoli za bežične senzorske mreže

- magistarska teza -

Univerzitet u NišuElektronski fakultet

Niš, 2011

Sadržaj

Bežične senzorske mreže (WSN)

MAC protokoli za bežične senzorske mreže

Višekanalni MAC protokoli za bežične senzorske mreže

TFMAC

Simulacija režima inicijalizacije

Simulacija aktivnog režima

Zaključak

Spisak objavljenih radova

Citiranost

Bežične senzorske mrežeWSN

WSN – skup velikog broja prostorno razuđenih senzorskih čvorova koji imaju mogućnost samoorganizacije u multihop bežičnu mrežu.

Jeftini senzorski čvorovi, opremljeni procesorom, memorijom i primopredajnikom malog dometa, koji vrše prikupljanje, obradu i prenos podataka

Energetska efikasnost – zamena/dopuna baterije je nepraktična ili nemoguća.

Glavni cilj – maksimalno produženje životnog veka (minimizovanje komunikacije)

sensorski čvor

r

RF malog dometa

multihop adaptivno, geografsko

rutiranje

ad-hoc raspored

agregacija podataka

Bežične senzorske mrežePoljoprivreda i nadgledanje životne sredine

• precizna agricultura (upravljanje usevima i stočnim fondom))

• Istraživanje planeta (U negostoljubivim okruženjima)

• Geofizičko nadgledanje (seizmičkih aktivnosti)

• Nadgledanje kvaliteta pijaće vode• Projekat Zebranet • Nadgledanje staništa• Detekcija katastrofa (šumski požari i

poplave)• Transport stetnih materija

Vojne primene• Nadgledanje i upravljanje dobrima• Nadzor i praćenje bojnog polja• Urbano ratovanje (senzori u

zgradama, kretanje neprijatelja, lokalizovanje snajpera,...)

• Zaštita (osetljivih objekata)• Samo-lečeća minska polja

Građevinarstvo

• Nadgledanje struktura• Urbano planiranje (tokovi

podzemnih voda, konc. CO2,...)• Oporavak od katastrofa

(lokalizovanje znakova života nakon zemljotresa)

Medicina• Medicinska merenja (Fiziološki

podaci se prenose do računara ili lekara, bežični senzorski bedževi koji upozoravaju na infekcije, Senzori u krvotoku koji sprečavaju koagulaciju i trombozu)

• Mikro operacije (Odredi MEMS-mikrorobota)

Inženjerstvo• Automobilska telematika • Virtuelne tastature sa

akcelerometarskim tasterima• Nadgledanje i održavanje industrijskih

postrojenja• Smanjenje otpora kod aviona• «Pametna okruženja»• Praćenje robe u maloprodajnim

objektima• Praćenje kontejnera • Socijalne studije • Osiguranje kuća i komercijalnih

objekata

Druge

• ...

Primena bežičnih senzorskih mreža

MAC protokoli za WSN

MAC (Medium Access Control) - komunikacioni protokol za upravljanjepristupom medijumu (minizuje interferenciju i sprečava kolizije paketa)

Nemogućnost detektovanja kolizija – specifičnost bežične komunikacije U bežičnom medijumu snaga snaga RF signala opada sa kvadratom

rastojanja, pa svi čvorovi ne mogu da se međusobno čuju. Ovo stvaraprobleme:– Problem skrivenih terminala: čvorovi A, i C se međusobno ne čuju. Čvor A

počinje emitovanje poruke čvoru B. Čvor C osluškuje i pošto ne čuje čvorA, počinje svoje emitovanje, čime izaziva koliziju u čvoru B

A B C D

– Problem izloženih terminala: čvorB emituje poruku čvoru A. ČvorC, koji želi da pošalje porukučvoru D to čuje i ne emituje, iakone bi izazvao koliziju

Energetska efikasnost se postiže redukcijom gubitka energije usled: pasivnogslušanja, kolizije paketa, preslušavanja (nepotreban prijem „tuđih“ poruka), viška saobraćaja zbog kontrolnih paketa, bespotrebnog emitovanje inaglih promena u intenzitetu saobraćaja

Vreme života senzorskog čvora (do 10 i više godina bez zamene baterije) Skalabilnost. Idealno funkcionisanje protokola ne treba da zavisi od veličine i

gustine mreže Adaptabilnost. Sposobnosti MAC protokola da se brzo prilagodi izmenjenim

uslovima u mreži. Predviđanje kašnjenja. Za primene koje zahtevaju dostavljanje podataka sa

ograničenim kašnjenjem. Pouzdanost. Za primene koje zahtevaju postizanje zadovoljavajućeg nivoa

pouzdanosti u prenosu podataka Propusna moć mreže. Ukupan broj paketa koje primi odredište u jedinici

vremena

WSN MAC protokoli postižu energetsku efikasnost po cenu izvesnogpogoršanja komunikacionih performansi (kašnjenja i propusne moći)

MAC protokoli za WSN- Zahtevi pri dizajniranju MAC protokola za WSN -

Pasivno slušanje je glavni uzrok energetske neefikasnostikonvencionalnih MAC protokola za bežične mreže. Zato MAC protokoli za WSN minimizuju pasivno slušanje korišćenjenjem režima smanjene potrošnje (uspavljivanje) i aktivnih režima.

MAC protokoli za WSN se mogu podeliti na četiri grupe: – protokoli zasnovani na vremenskom rasporedu (scheduled protocols)

(optimizovani za gust, periodičan saobraćaj, tipično za multimediju) – protokoli sa zajedničkim aktivnim periodom (optimizovani za saobraćaj

srednje gustine, tipično za industrijsku primenu), – protokoli sa semplovanjem preambule (odgovarajući za retko slanje

izveštaja, npr. razna merenja)– hibridni protokoli (kombinuju prednosti više protokola)

MAC protokoli za WSN- podela -

MAC protokoli za WSN savremenskim rasporedom

Kod WSN se zasnivaju na TDMA, koji eliminiše kolizije, nepotrebnoslušanje i preslušavanje.

Uspostavljanje i održavanje vremenskog rasporeda može bitikreiranjem rasporeda linkova, pošiljaoca ili primaoca

Radi postizanja boljih performansi, TDMA je moguće kombinovati saFDMA

Problemi: sinhronizacija, skalabilnost, brodkast, fleksibilnost,

veličina memorije

Najbolji za primene gde je saobraćaj periodičan i gust, saograničenim kašnjenjem

Predstavnici: LMAC, IEEE 802.15.4, Trama, MMAC, FlexyMAC…

Čvorovi definišu zajedničke aktivne periode (za razmenu podataka) iperiode smanjene potrošnje (za uštedu energije).

Za vreme aktivnog perioda, čvorovi se nadmeću za medijum koristećimetod zasnovan na nadmetanju, kao što je CSMA, 802.11 DCF (RTS/CTS mehanizam usaglašavanja)

MAC protokoli za WSN sazajedničkim aktivnim periodom

Radio isključen

Radio uključen

Radio isključen

Radio ukljucen

Radio uključen

Za sinhronizaciju Za podatke

SYNC RTS/CTS/DATA/ACK

Potreban određen nivosinhronizacije

Pogodan za periodičan saobraćaj (nadgledanje)

Predstavnici:SMAC, TMAC, E2MAC, DMAC, QMAC

Čvor koji ima poruku za slanje se budi po svom rasporedu i emitujepreambulu.

Čvor prijemnik provodi veći deo vremena u stanju smanjene potrošnjei periodično se budi na interval provere da bi proverio da li neko želi damu pošalje poruku.

Ako detektuje preambulu, čvor ostaje u aktivnom režimu dok ne primicelu poruku, a u suprotnom se vraća u režim smanjene potrošnje

Smanjuje potrošnju usled razmene kontrolnih paketa

MAC protokoli za WSN sasemplovanjem preambule

Preambula PodaciPošiljalac

Primalac

Periodično semplovanje kanala

Isključen radio Uključen radio

Interval provere

Povećava potrošnju usledkolizija i potrebe emitovanja dugačkih preambula

Predstavnici:CCA, LPL, BMAC, STEM...

Korišćenje dva ili više ortoganalnih kanala:– Povećanje propusne moći mreže– Minimizovanje interferencije unutar mreže– Izbegavanje spoljašnje interferencije

Višekanalna komunikacija uvodi nove probleme: problem skrivenihkanala kod višekanalne komunikacije, problem nedostupnogprijemnika, problem podrške za broadcast, problem dodelekanala, problem konačnog vremena promene kanala, problem sinhronizacije, particionisanje mreže, pridruživanje mreži…

Postojeći višekanalni MAC protokoli:– Zasnovani na vremenskom rasporedu (TMMAC, HYMAC, MC-LMAC)– Sa zajedničkim aktivnim periodom (MMSN, SMC)– Hibridni (Y-MAC, TMCP)

Višekanalni MAC protokoli za WSN

Višekanalni MAC protokoli zasnovani navremenskom rasporedu – MC-LMAC

F1 F2 F3 CM

CM

CM

DATA

DATA

DATA

CF slotoviKontrolni kanal

F1

F2

F3

Čvor prvo prikupi informacije o već zauzetim slotovima na svim raspoloživim kanalima u svojoj 2-hop okolini, a onda bira proizvoljan slobodan par slot/kanal (izbegavajući slotove u kojima su susedizauzeti na bilo kom kanalu)

CF slotovi služe za prozivanje prijemnika: predajnik na kanalu Fiproziva prijemnik slanjem kratke poruke u periodu Fi.

U ostatku slota aktivni čvoroviemituju kontrolnu poruku, CM(koja sadrži: ID pošiljaoca, ID primaoca, vektor zauzetosti slotova...) i poruku podatka naizabranom kanalu

Višekanalni MAC protokoli sazajedničkim aktivnim periodom – MMSN

Tbc Ttrans

Vremenski slot

MMSN - višekanalni MAC protokol, baziran na CSMA sa vremenompodeljenim u slotove

Svakom čvoru se dodeljuje kanal za prijem podataka (raspoloživikanali se ravnomerno raspoređuju, da bi se isti ponovio što manjeputa u 2-hop okolini čvora). Za dodelu kanala predlaže četiri šeme.

Čvorovi se na početku slota (Tbc) nadmeću za slanje brodkast poruke na podrazumevanom kanalu. Za emitovanje brodkast poruke koristi se Ttrans. Ukoliko nije bilo brodkast poruke, za pristup se nadmeću u prvom delu Ttrans a pobednik salje poruku na kanalu primaoca

Hibridni višekanalni MAC protokoli – Y-MACBroadcast

periodUnicast period

Deo za nadmetanje

Vremenski slot

Vreme

1 2 3

1 2 3

1

Kanal

#1

#2

#3

#4 Period za nadmetanje

VremeVremenski slot

Prozivanje kanala

Prijem podataka

ACK(opciono)

Obaveštenje da čvor čeka na poruku

Promena kanala

TFMAC- režimi rada -

U režimu inicijalizacije čvorovi sprovode proces samokonfiguracije, u toku koga se sinhronizuju, uspostavljaju višekanalni TDMA raspored (dodela kanala i slotova) i , konfigurišu odgovarajućim kontrolnim parametrima.

U aktivnom režimu čvorovi obavljaju razmenu podataka prema utvrđenom rasporedu i održavaju uspostavljenu sinhronizaciju.

Povremeno je potrebno vršiti reinicijalizaciju, zbog promene topologije mreže (usled otkaza čvorova ili pridruživanja novih čvorova).

Neaktivni režim Režim

inicijalizacije

Aktivni režim

Signal za buđenje

Komanda za aktivaciju

Komanda za deaktivaciju

U neaktivnom režimu (na početku životnog veka) čvorovi periodično osluškuju podrazumevani kanal.

Čvorovi koji detektuju signal za buđenje(nemodulisani konutinualni signal na podrazumevanom kanalu), koji emituje bazna stanica, reemituje ga i prelazi u režim inicijalizacije.

Aktivni režim- organizacija vremena -

Epoha (Tepoch)

Superfrejm (Tsf)

Kontrolni slot (Tcs) Frejm (Tf)

Vremenski slot (Tslot)

1 NF

N

N

HijerarhijskiTDMA raspored

EpohaSuper Frejm

0 1 N-1...

Kontrolni slotFrejm

0 1 NF-1...Super frejm

Slot

0 1 N-1...Frejm

Vreme

Aktivni režim- kontrolni slot -

LID - ceo broj iz intervala [0, N-1], jedinstven u 2-hop okoliničvora, Dinamički se dodeljuje čvoru za vreme inicijalizacije.

LID ukazuje na CS (kontrolni slot) u epohi koji pripada čvoru, čime se obezbeđuje bezkonfliktno emitovanje kontrolne poruke, potrebne za održanje sinhronizacije i pridruživanje novog čvora

Kontrolni paket sadrže informacije potrebne za održavanje sinhronizacije (vremenski zapis sa lokalnim vremenom čvora) i ažuriranje TDMA rasporeda (LID, ID, vektor zauzetosti LID-ova od strane 1-hop suseda, podatke o statusu slotova)

Čvor emituje kontrolni paket u svom CS-u; sluša u CS-ovima svojih suseda i oslulškuje u neiskorišćenim CS slotovima, radi eventualno priključenih novih čvorova

EpohaSuper Frejm

0 1

Kontrolnislot

Frejm

0 1Super frejm

Slot

0 1 ...Frejm

e e

Aktivni režim- organizacija frejma -

Frejm je podeljen na N vremenskih slotova, koje čvorovi koriste zaslanje poruka bez konflikata, na Nk raspoloživih kanala, premavremenskom planu kreiranom tokom inicijalizacije

Vremenski plan se čuva u svakom čvoru kao tabela suseda (No. slota, No. kanala, status slota: R, T, I)

Globalno, ispravan vremenski plan obezbeđuje bezkonfliktnudvosmernu komunikaciju između bilo koja dva suseda

Lokalno, ispravan vremenski plan je obezbeđuje svakom čvoru:

– Jedan slot za emitovanje na svakom od NF kanala

– Jedan prijemni kanal

– Jedan prijemni slot za svakog suseda

EpohaSuper Frejm

0 1 N-1...

Kontrolni slotFrejm

0 1 NF-1...Super frejm

Slot

0 1 N-1...Frejm

Vreme

S2,f1

S4,f2

S3,f2S1,f1

S2,f1

S4,f1

S3,f1S1,f1

Primer kreiranog rasporeda

- raspored sa dva kanala -- raspored sa jednim kanalom -

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

0 1 2 3Slot

vremeFrejm

S1,f1

S2,f1

S3,f1

S4,f1

T, f1

T, f1

T, f1

T, f1

T, f1

R

R

R

R

0 1 2 3Slot

vreme

T, f2

T, f2

R

T, f1

T, f1

R

R

T, f2

T, f2

R T, f1

R

R

4

S1,f1

S2,f1

S3,f2

S4,f2

Frejm

Pronalaženje suseda

Po istekuTND Dodela LID-ova i

prijemnih kanalaDodela

predajnih kanala

Po istekuTLID

Komanda za aktivaciju

Signal za buđenje

Nea

ktiv

ni re

žim

Akt

ivni

reži

m

Režim inicijalizacije

1. Pronalaženje suseda: čvorovi prikupljaju ID-ove svojih 2-hop suseda. Čvorperiodično emituju kontrolnu poruku koja sadrži njegov ID i ID-ovenjegovih, do tada otkrivenih 1-hop suseda

2. Dodela LID-ova i prijemnih kanala: čvorovi razmenjuju statusne poruke(ID, LID i prijemni kanal ukoliko su izabrani, LID tabela sa 1-hop susedima). Ukoliko su svi 2-hop susedi sa manjim ID-om izabrali, čvor bira LID jedinstven u svojoj 2-hop okolini i prijemni kanal koji se najmanje koristi.

3. Dodela predajnih slotova: čvorovi u slotu LID emituju statusne poruke(LID, ID, vektor zauzetosti LID-ova od strane 1-hop suseda, podaci o statusu slotova). Čvor bira po jedan slot za emitovanje na svakom kanalu kad su svinjegovi 2-hop susedi sa manjim ID-om izabrali

Trajanje svake faze je dovoljno da se sa velikom sigurnošću obavi zadatak

Režim inicijalizacije- Šeme diseminacije informacija -

Koriste se za razmenu kontrolnih poruka u režimu inicijalizacije

Asinhrona šema (u prve dve faze) – pauza između emitovanjadve poruke se bira slučajno iz intervala [0, Tdmax]. Slučajni izbor dozvoljava mogućnost kolizije

Sinhrona šema (u trećoj fazi) - TDMA frejm se sastoji iz Nslotova; čvor za emitovanje koristi slot prema svom LID-u (čimese obezbeđuje bezkonfliktno emitovanje)

Simulacioni model

– Komunikacionoopterećenje (λ)

– Komunikaciona gustina

Bežična senzorska mreža od 200 čvorova, slučajno raspoređenih u kružnoj oblasti prečnika 100 m.

Korišćen je sintetički model mrežnog saobraćaja (gossiping)

Promenljivi parametri:

Napon napajanja 3.3VStruja u režimu prijema 15.8 mAStruja u režimu predaje 30 mABitska brzina 20 Kb/sMaksimalna dužina poruke 64 bajtaMaksimalna dužina paketa 74 bajtaVreme prenosa paketa maksimalne dužine 29.6 msVreme osluškivanja 4 msDužina trajanja slota (Tslot) 32msEnergija za predaju paketa maksimalne dužine 2.93 mJEnergija za prijem paketa maksimalne dužine 1.54 mJEnergija za osluškivanje 0.21 mJ

Simulacioni model- Karakteristike primopredajnika CC1100 i konstantniparametri protokola TFMAC -

Simulacija režima inicijalizacije- brzina diseminacije, učestanost emitovanja statusnih poruka i

kolizija u zavisnosti od Tdmax za d = 6 -

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

50 150

250

350

450

550

650

750

850

950

Broj

poru

kapo

čvor

u u

seku

ndi

Tdmax[ms]

Učestanost emitovanja statusnih porukaBrzina disemenacije

Učestanost kolizija

Tdmax reguliše učestanostemitovanja statusnih poruka u asinhronoj šemi diseminacije.

Optimalno Tdmax maksimizirabrzinu diseminacije (prosečanbroj statusnih poruka koje čvorprimi u sekundi)

Veća brzina diseminacije –kraće trajanje prve dve faze inicijalizacije

Simulacija režima inicijalizacije- brzina diseminacije u zavisnosti od Tdmax -

0

2

4

6

8

10

12

brzi

na d

isem

enac

ije [p

oruk

a/s]

Tdmax[ms]

d=4

d=6

d=10

d=16

Veća gustina mreže = veći brojsuseda ( za istu učestanostemitovanja statusnih porukanastaje veći broj kolizija)

Za veću gustinu mreže većaoptimalna vrednost za Tdmax,

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

50 150

250

350

450

550

650

750

850

950

Brzi

nadi

sem

enac

ije[p

oruk

a/s]

Ener

gija

popr

imlje

nojp

oruc

i[m

J/po

ruka

]

Tdmax[ms]

Energija po primljenoj poruci

Brzina disemenacije

Simulacija režima inicijalizacije- energetska efikasnost i brzina diseminacije u zavisnosti od Tdmax -

parametri protokola se birajutako da se maksimiziraenergetska efikasnost, čak i naračun pogoršanja nekih drugihkarakteristika protokola

energetska efikasnost - količnikukupne količine energijeutrošene tokom diseminacije iukupnog broja uspešno prenetistatusnih poruka

0102030405060708090

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

Usp

ešno

st o

tkri

vanj

a su

seda

[%]

t [s]

d=4

d= 6

d=10

d=16

Simulacija režima inicijalizacije- uspešnost otkrivanja suseda u zavisnosti od

TND (trajanja faze otkrivanja suseda) -

Kod asinhrone šeme brzinadiseminacije varira na slučajannačin

Tdmax podešeno na optimalnuvrednost za svaku gustinumreže

Parametar TND može da se dobije kao vreme za koje je uspešnost otkrivanja susedadostigla zadovoljavajućuvrednost

0102030405060708090

10012 16 20 24 28 32 36 40 44 83 95 10

7

119

131

179

191

203

215

227Usp

ešno

st d

odel

e LI

D-o

va [%

]

TLID [%]

d=4

d= 6

d=10

d=16

Simulacija režima inicijalizacije- uspešnost dodele LID-ova u zavisnosti od

TLID (trajanja faze dodele LID-ova i prijemnih kanala) -

Veće trajanje faze dodele LID-ova i prijemnih kanala u poređenjusa fazom otkrivanja - posledica broja iteracija (srazmerno veličini2-hop, odnosno 1-hop okoline)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 5 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50

Usp

ešno

st d

odel

e[%

]

broj LID-ova

d=4

d= 6

d=10

d=16

Simulacija režima inicijalizacije- uspešnost dodele LID-ova u zavisnosti od

broja raspoloživih LID-ova -

Uspešnost dodele LID-ova zavisi i od broja raspoloživihLID-ova (kad se dodele sviLID-ovi dalja dodela nijemoguća)

Broj LID-ova zavisi odtopologije komunikacionoggrafa mreže i algoritma dodele(iz opsega [dmax, d2max])

Poželjno je da N bude štomanje, jer određuje brojslotova u frejmu (kašnjenja primultihop prenosu poruka).

0

500

1000

1500

2000

2500

2 4 6 8 10

Broj

kon

flikt

a

Broj kanala

d=4

d= 6

d=10

d=16

Simulacija režima inicijalizacije- ukupan broj konfliktnih izbora prijemnog kanala

u zavisnosti od broja raspoloživih kanala -

Konflikt - kad dva ili više čvora iziste 2-hop okoline izaberu istiprijemni kanal.

Posledica konflikta pri izboruprijemnog kanala je neuniformna raspodelakomunikacione propusne moći u mreži

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17

Usp

ešno

st d

odel

e[%

]

N

1 kanal

2 kanala

4 kanala

8 kanala

0

20

40

60

80

100

4 6 8 10 12 14 16

N

Gustina mreže (d)

Simulacija režima inicijalizacije- uspešnost dodele predajnih slotova u zavisnosti od broja kanala

i broj potrebnih kanala u zavisnosti od gustine mreže-

sinhrona šema diseminacije informacija TDMA frejm od Nslotova, čvor emituje svoju statusnu poruku u slotu sa rednimbrojem jednakim njegovom LID-u).

0

50

100

150

200

250

300

350

400

d=4 d=6 d=10 d=16

Traj

anje

[s]

Period otkrivanja suseda (TND)

Period dodele LID-ova i prijemnih kanala(TLID)Period izbora predajnih slotova

Ukupno vreme inicijalizacije

Simulacija režima inicijalizacije- dužina trajanja režima inicijalizacije i svih faza

u zavisnosti od gustine mreže -

Simulacija aktivnog režima- mere performansi -

Simulacija aktivnog režima je sprovedena u cilju procenekomunikacionih performansi i energetske efikasnosti protokolaTFMAC u zavisnosti od karakteristika mrežnog saobraćaja, brojakanala i komunikacione gustine mreže

Kašnjenje paketa – vreme, u sekundama, od momentagenerisanja poruke u izvornom čvoru do momenta pristizanjaporuke u odredišni čvor.

Propusna moć – količnik prosečnog broja primljenih poruka počvoru i ukupnog vremena simulacije, pod određenimkomunikacionim opterećenjem

Simulacija aktivnog režima - propusna moć mreže u zavisnosti od komunikacionog opterećenja -

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Prop

usna

moć

[por

/s]

λ [por/s]Komunikaciono opterećenje

1 kanal

2 kanala

4 kanala

8 kanala

linearna oblast (nizak nivokomunikacionog opterećenja) -propusna moć jednaka λ

Prelazna oblast – postepeno iscrpljivanja raspoloživogkomunikacionog kapaciteta

Zasićenje - celokupankomunikacini kapacitet se koristiza prenos poruka, a višakgenerisanih poruka se nagomilavau predajnom baferu. Propusnamoć u zasićenju odgovaramaksimalnoj propusnoj moćiprotokola.

Simulacija aktivnog režima - kašnjenje poruka u zavisnosti od komunikacionog opterećenja -

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8

Kašn

jenj

e [s

]

λ [por/s]

1 kanal

2 kanala

4kanala

8 kanala

malo komunikaciono opterećenje– malo kašnjenje (u proseku polafrejma)

Sa povećanjem komunikacionogopterećenja, u predajnom baferuviše poruka konkurišu za prenos u istom slotu (samo jedna može bitipreneta)

Za komunikaciono opterećenjekoje odgovara početku oblastizasićenja u krakteristici propusnemoći prosečno kašnjenje porukase naglo povećava

Simulacija aktivnog režima - potrošnja energije u zavisnosti od komunikacionog opterećenja -

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Potr

ošnj

a en

ergi

je [m

W]

λ [por/s]

1 kanal

2 kanala

4 kanala

8 kanala

Najveći deo energije se troši na emitovanje i prijem (oblik karakteristike sličan obliku zavisnosti propusne moći od komunikacionog opterećenja)

Sa slike se, takođe, uočava da čvorovi troše izvesnu količinu energije i kad ne razmenjuju poruke

Simulacija aktivnog režima - potrošnja energije pri nultom komunikacionom opterećenju -

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Ener

gija

za

λ= 0

[mw

]

Trajanje epohe[s]

gustina 4 (15 slotova)

gustina 6 (20 slotova)

gustina 10 (32 slota)

gustina 16 (48 slotova)

Bitna karakteristika komunikacionogprotokola - bežične senzorskemreže, najveći deo vremena provode u režimu smanjenog saobraćaja

Potrošnja energije u odsustvu mrežnogsaobraćaja kod TFMAC-a, potiče odobaveze čvora da:

– (a) osluškuje predajne slotove svojihsuseda i

– (b) razmenjuje komandne poruke sasusedima

Pošto energija zavisi od trajanja epohesamo za male vrednost, trajanje epohese podešava prema zahtevanom nivousinhronizacije

Zaključak

TFMAC - višekanalnih MAC protokola sa vremenskim rasporedom, kojipovećava propusnu moć mreže korišćenjem višekanalne komunikacijeuz minimalno povećanje potrošnje energije.

Distribuirani algoritam za dodelu parova kanal/slot kojim se izbegavaju kolizije i parovi ravnomerno raspoređuju među čvorovima.

Samokonfiguracija - mreža sama uspostavlja raspored pristupa iomogućava pristup novih čvorova u toku rada mreže.

Simulacija režima inicijalizacije – dobijene vrednosti parametarapotrebnih za samokonfiguraciju, pokazuju da se inicijalizacija završavaza razumno vreme (čak i kod mreža velike gustine)

Simulacija aktivnog režima - poboljšanje performansi rada mreže sapovećanjem broja kanala, uz minimalno smanjenje energetskeefikasnosti

Zaključak- budući rad -

Usavršavanje mehanizma za osluškivanje kanala, radismanjenja vremena pasivnog slušanja na počecimavremenskih slotova

Razvoj hibridne varijante protokola TFMAC u kojoj bi se vremenski slotovi dodeljivati prijemnicima, a ne predajnicima(da bi se smanjio broj osluškivanja)

Implementacija protokola u senzorskom čvoru. Biće potrebno:

– izabrati adekvatan algoritam za sinhronizaciju čvorova (TFMAC ne definiše algoritam za sinhronizaciju već samo rezerviševremenske intervale za prenos sinhronizacionih poruka)

– izvršiti optimizaciju protokola u smislu memorijskog zauzeća

Spisak objavljenih radova

M. D. Jovanovic, G. Lj. Djordjevic, “TFMAC: Multi-channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, in Proc. of 8-th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services ,TELSIKS 2007, Nis, Serbia, 2007.

M. D. Jovanovic, G. Lj. Djordjevic, “Design of a TDMA-based Multi-Channel MAC protocol for Wireless Sensor Networks”, XLVI International Scientific Conference on Information, Communication and Energy Systems and Technologies, ICEST 2011, vol. 1, pp. 251-255, Nis, Serbia, 2011

M. D. Jovanovic, et. al., “Multi-Channel Media Access Control for Wireless Sensor Networks: a Survey”, accepted for publication in 10-th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services , TELSIKS 2011, Nis, Serbia, 2011

Citiranost

1. O. Durmaz Incel, “A survey on multi-channel communication in wireless sensor networks”, Computer Networks, Vol. 55, No. 13, pp. 3081-3099, Elsevier, 2011

2. C. Huang at al., “Multi-channel Wireless Sensor Network MAC protocol based on dynamic route”, The 2-nd International Conference on Multimedila Technology, ICMT 2011, pp. 420-424, Hangchong, China, July 2011

3. K. Srinivasan et al., ”An empirical study of low-power wireless”, ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN), Volume 6 Issue 2, ACM, New York, NY, USA, February 2010

4. Z. Liu and W. Wu, “A Dynamic Multi-radio Multi-channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, 2010 Second International Conference on Communication Software and Networks, Singapore, Singapore, 2010

5. K. Srinivasan., “Towards a Wireless Lexicon”, PhD thesis, Stanford University, September 2010.

6. W. Zhou, R. Stoleru, “Towards higher throughput and energy efficiency in dense wireless ad hoc and sensor networks”, Proceedings of the 2010 ACM Symposium on Applied Computing , SAC ‘10, ACM, New York, NY, USA, 2010

7. Jinbao Li, Desheng Zhang, Longjiang Guo, "OCO: A Multi-channel MAC Protocol with Opportunistic Cooperation for Wireless Sensor Networks," euc, pp.260-267, 2010 IEEE/IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing, 2010

Citiranost-nastavak-

8. J. Li et al., “DCM: A DUTY CYCLE BASED MULTI-CHANNEL MAC PROTOCOL FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS”, International Conference on Wireless Sensor Networks 2010 (IET-WSN 2010), pp. 233-328, Beijing, China, 2010

9. J. Li et al., “M-cube: A Duty Cycle Based Multi-Channel MAC Protocol with Multiple Channel Reservation for WSNs”, ICPADS 2010, 16th International Conference on Parallel and Distributed Systems, pp. 107-114, Shanghai, China, 2010

10. T. A. Al-Khdour and U. Baroudi, “AN ENERGY-EFFICIENT DISTRIBUTED SCHEDULEBASED COMMUNICATION PROTOCOL FOR PERIODIC WIRELESS SENSOR NETWORKS”, The Arabian Journal for Science and Engineering, Volume 35, Number 2B, 2010

11. J. Li et al., “ARM: an Asynchronous Receiver-initiated Multichannel MAC Protocol with Duty Cycling for WSNs”, Performance Computing and Communications Conference (IPCCC), pp. 1-1, Albuquerque, NM, USA, 2010

12. Y. Guo and D. Zhang, “Research on the Reliability of MAC Protocols for Multi-radio Sensor Networks”, First International Conference on Pervasive Computing, Signal Processing and Applications, PCSPA 2010, Harbin, China, 2010

13. L. Jinbao et al., “RCO: A Multi-channel MAC Protocol with Random Cooperation for Sensor Networks”, in Ubiquitous Intelligence and Computing, Springer Berlin / Heidelberg, 2010

Citiranost-nastavak-

14. E. Akchurin, A. Gefflaut, “Dynamic and autonomous channel adaptation in wireless sensor networks”, Sixth International Conference on Networked Sensing Systems INSS 2009, Pittsburgh, USA, 2009

15. M. Ramakrishnan and P. Vanaja Ranjan, ”Multi Channel MAC Implementation for Wireless Sensor Networks”, 2009 International Conference on Advances in Computing, Control, and Telecommunication Technologies, 2009

16. M. Ramakrishnan and P. Vanaja Ranjan, ”MULTI CHANNEL MAC FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS”, International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), Vol.1, No.2, July 2009

17. D. Zhang, at. all, “HM-MAC: A Multi-Channel MAC Protocol for Sensor Networks with Broadcast Supporting”, Journal of Computer Research and Development, Vol. 46(12), pp: 2024-2032, 2009.

18. T. A. Al-Khdour and U. Baroudi, “A Generalised Energy-Efficient Time-Based Communication Protocol for Wireless Sensor Networks”, International Journal of Internet Protocol Technology, Vol. 4, No. 2, July 2009

19. …