Author(s):
Gomes, Ricardo 
Date: 2008
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.22/1886
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico do Porto
Subject(s): Wireless Sensor Networks; Medium Access Control; Wireless Dominance Protocol; WiDom; Real-Time Systems; Dense Large-scale Networks
Description
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Embedded computing systems went through extraordinary evolutions during the past two
decades, representing nowadays one of the most promising technologies for improving a
wide range of application areas such as energy/resource management, safety, health or
entertainment. New sensors and actuators are leading to an unprecedented level of
interaction between computing systems and their surrounding physical environment. These
embedded computers tend to be networked, often wirelessly, and they are becoming
denser, of larger scale and more pervasively deployed.
Since the wireless channel is a "natural resource" which must be shared between this large
number of embedded computers, the medium access control (MAC) protocol significantly
influences the performance of the entire system. In particular, satisfying real-time
requirements — something that is needed for a computer to tightly interact with its
physical environment — plays an important role. One solution was recently proposed by
Pereira, Andersson and Tovar. It was a prioritized and collision-free MAC protocol
belonging to a family of protocols called dominance/binary countdown protocols. This
solution was implemented in commercial-off-the-shelf (COTS) wireless sensor networks
(WSN) platforms and the implementation was demonstrated to be working. Unfortunately,
those platforms had (for the MAC protocol) unfavourable characteristics which lead to
limited efficiency and excessive overhead of the MAC protocol.
This work presents a new hardware platform, in the form of a network adapter for common
WSN platforms, that allows an efficient implementation of dominance protocols for
wireless medium access, allowing the medium access to be performed in less than 5 ms for
216 priority levels, which represents an overhead reduction of more than ten times as
compared to the protocol implementation in COTS WSN platforms. Additionally, the
overall energy consumption was reduced by approximately 45 % when compared to the
theoretical best-case performance of the protocol implementation in COTS WSN
platforms.
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This work also allowed, for the first time ever, an aggregate computation scheme for WSN
to work exploiting the new efficient implementation of a binary/dominance countdown
protocol. No decurso das duas últimas décadas, os sistemas de computação embebidos sofreram uma
extraordinária evolução, representando hoje em dia uma das mais promissoras tecnologias
para possibilitar melhorias em áreas de aplicação tão diversas como a gestão de
energia/recursos, segurança, saúde ou entretenimento. Novos sensores e actuadores
conduzem a interacção entre os sistemas de computação e o ambiente físico onde se
encontram inseridos até um nível sem precedentes. Estes computadores embebidos tendem
a encontrar-se interligados (frequentemente recorrendo a ligações sem fios), sendo
instalados de forma intensiva, e cada vez em maior escala.
Sendo o meio de transmissão sem fios um “recurso natural” que deve ser partilhado entre
este número elevado de computadores embebidos, o protocolo de controlo de acesso ao
meio (do Inglês Medium Access Control - MAC) influencia significativamente o
desempenho de todo o sistema. Em particular, a satisfação de requisitos temporais — algo
que é necessário para uma estreira interacção entre um computador e o meio físico onde se
insere — desempenha um papel muito importante. Uma solução foi recentemente proposta
por Pereira, Andersson e Tovar, consistindo num protocolo MAC que implementa
escalonamento baseado em prioridades e livre de colisões. Esta solução foi implementada
em plataformas comercias de redes de sensores sem fios (do Inglês Wireless Sensor
Networks - WSN), demonstrando-se funcional. Infelizmente, para a implementação do
protocolo MAC, tais plataformas possuem características desfavoráveis, que conduzem a
uma eficiência limitada do mesmo.
Este trabalho apresenta uma nova platforma de hardware, sob a forma de um adaptador de
rede, para platformas de WSN disponíveis comercialmente, que permite que a realização
do acesso ao meio decorra em menos de 5 ms (para 216 níveis de prioridades). Tal
representa uma redução superior a dez vezes no custo da execução do protocolo, quando
comparada com a anterior implementação em platformas comercias de WSN.
Adicionalmente, o consumo global de energia foi reduzido em aproximadamente 45 %,
quando comparado com o melhor desempenho teórico possível da implementação em
plataformas comerciais de WSN.
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Este trabalho permitiu ainda que, pela primeira vez, um esquema de computação agregada
para WSN operasse tirando partido da implementação eficiente de um protocolo MAC
apresentada neste trabalho.
