Datanätverk, 69 : 51-65 Postrekord/mer information http://hdl.handle.net/10197/7089 Abstract Mestadels-o sensor nätverksprogram växlar mellan långa perioder av inaktivitet (från minuter till timmar) och korta perioder av aktivitet (normalt några sekunder). Ur energiförbrukningssynpunkt är det önskvärt att nätverket helt växlar o under applikationen inaktiva perioder och vaknar eektivt i början av applikationens aktiva perioder. Det grundläggande problemet för att förhindra detta är att den internode klocka skew som uppstår från nätverket är o under en lång period. Befintliga lösningar upprätthåller synkroniseringen under den inaktiva perioden eller använder radion alltför mycket för att möjliggöra asynkront uppvaknande. Häri föreslår vi BailighPulse, ett protokoll för insamling av data för mestadels WSN-tillämpningar. BailighPulse innehåller ett nytt multihop-uppvakningssystem som möjliggör energieffektiv återhämtning av nätverkssynkronisering efter långa o perioder. Programmet använder ett stegvist uppvaknande schema och optimerad kanal röstning under uppvaknandet baserat på kunskap om den förutsedda programnivå schema. Här ger vi en omfattande bedömning av protokollets prestanda inklusive en analytisk modell, simuleringar och testbäddsresultat. Vi visar att BailighPulse, för ett homogent schema med en insamlingsperiod på mer än 2 minuter, minskar radioaktivitetscyklerna med minst 30 % respektive 90 % jämfört med Dozer respektive B-MAC. Vi visar också att BailighPulse kan minska radioaktiviteten med 68% för ett heterogent schema under liknande förhållanden. 1 Introduktion I datainsamling applikationer Trådlösa Sensor Network noder regelbundet provsmaka sina sensorer och överföra mätningarna tillbaka till en enda nod (sänkan). I de flesta WSN-tillämpningar [1] växlar applikationen mellan långa perioder av inaktivitet (från minuter till timmar) och korta perioder av aktivitet (normalt några sekunder). Exempel på dessa tillämpningar är prediktivt underhåll [2], nät för elmätning [3] och miljöforskning [4]. Adress(er) till författare bör ges 2 Wojciech Bober och Chris J. Bleakley Från en energiförbrukning synvinkel, är det önskvärt att ett trådlöst Sensor Network följer applikationsegenskaper och växlar o helt under applikation inaktiva perioder och switchar på eektivt i början av programmet aktiva perioder. Detta driftsätt där ett nätverk är helt inkopplat o mellan korta perioder som kallas frånkopplat läge [5]. För att bevara energin bör den tid som sensornätet är på vara så kort som möjligt. Dutta m.fl. [5] visade att ett nät som använder detta driftssätt i princip kan drivas under en arbetscykel på 0,01 %. I praktiken har dock uppnåendet av detta mål visat sig svårt på grund av det grundläggande problemet med internode klocka skew som uppstår från nätverket är o under en lång period [6]. Klocka skev är resultatet av kristalloscillator instabilitet som främst orsakas av temperaturvariation. I utomhusmiljöer kan detta leda till klockdrifter på 125-400 ms/h (35-110 ppm) [7]. På grund av den resulterande klockan skev, noder vakna vid olika tider och måste vänta tills hela sensornätverket är redo innan kommunikation. Detta ökar nätverket i tid, vilket ökar nodernas tjänstgöringscykel. Problemet kan lösas på hård- eller programvarunivå. På hårdvaran nivå, en temperatur kompenserad kristall oscillator (TXCO), som har minimal klocka drift kan användas, så att noder vakna upp på nästan samma gång [6]. En annan hårdvarustrategi använder en uppvaknande radio utanför bandet som möjliggör eektiv asynkron nätverksuppvakning [8]. Hårdvarumetoder används dock sällan eftersom de kräver ytterligare elektronik som ökar sensornoden kostnader och storlek. Därför är den mesta forskningen inriktad på programvarunivån i form av energieffektiva protokoll för insamling av data. Protokoll för insamling av data kan kategoriseras beroende på om de använder synkrona eller asynkrona uppvaknandemetoder. Vid synkron uppvakning används antingen explicit eller implicit synkronisering under programmet inaktiv period. Vid asynkront uppvaknande hålls sensornätverket på så att avdriften inte spelar någon roll. Båda metoderna kräver energi som slösas bort ur tillämpningssynpunkt. Som ett resultat av detta uppnår inget tidigare föreslaget protokoll det teoretiska målet för arbetscykeln. Vanligtvis, i mestadels-o sensor nätverk program programmet schema (tiderna för sensor provtagning och datainsamling) bestäms av en domän expert och xed a priori. Ett programschema kan till exempel ställa in nätverket för att ta prover på sensorer mindre ofta under dagen och oftare under natten. I det protokoll som presenteras här, utnyttjar vi denna egendom för att föreslå en annan strategi för att ta itu med klockan skevt problem. I BaiighPulse är nätverket aktiverat o helt när programmet är inaktivt. Finkornig nätverkssynkronisering återvinns sedan i början av den aktiva fasen med hjälp av ett nytt flerhopsuppvakningsprogram. Detta uppvakningsprogram använder ett stegvist uppvaknandeschema och optimerar kanalröstning baserat på kunskap om det pre-dened programnivåschemat. Genom att använda detta tillvägagångssätt minimeras energiförbrukningen under uppvaknandet. Såvitt vi vet, BaiighPulse är den första datainsamling protokoll för mestadels-o sensor nätverk använder grov synkroniserad multi-hop vakna.. BaiighPulse är lämplig för användning med komplexa schemaläggning algoritmer såsom de som beskrivs i [9, 10, 11, 12]. Dessa algoritmer härleder provtagningsscheman baserade på kriterier såsom konvergerande analys och datakorrelation. För fullständighet föreslår vi en kompakt notation för att specificera programnivåscheman. Noteringen gör det möjligt att uttrycka applikationsaktivitet, dvs. provtagning och insamling, på ett enkelt och kompakt sätt. Resultaten av analytiska och simuleringsbaserade utvärderingar visar att det föreslagna protokollet för låg datainsamling avsevärt minskar nätverkets genomsnittliga radioaktivitetscykel. Vi visar att i mestadels o applikationer BailighPulse överträffar Dozer, som är ett toppmodernt protokoll för datainsamling. Påminnelsen om dokumentet är organiserad enligt följande: I Avsnitt 2 diskuterar vi relaterade protokoll för insamling av data. Avsnitt 3 innehåller antaganden och formulerar problembeskrivningen. I avsnitt 5 ges närmare uppgifter om protokollens utformning. En analytisk modell av BailighPulse ges i avsnitt 6. Resultatutvärdering av protokollet presenteras i avsnitt 7. En fallstudie och testbäddsresultat diskuteras i avsnitt 8. Vi avslutar dokumentet med avsnitt 9. 2 Relaterat arbete Ett stort antal tekniker som syftar till att minska energiförbrukningen i WSNs har föreslagits [13, 14]. De lösningar som är närmast relaterade till förslaget är protokoll för insamling av uppgifter, dvs. protokoll som särskilt utformats för insamling av data från hela nätverket. Vanligtvis är datainsamling protokoll tvärlager, integrera MAC lager, routing lager, och energihanteringsmekanismer. Ur synvinkel av mestadels-o sensor nätverksprogram, dessa protokoll kan delas beroende på om de använder synkron eller asynkron vakna upp. En förenklad översikt över båda metoderna visas i figur 1. I rst-fallet (figur 1 a) är noderna inte synkroniserade och regelbundna mätningar (kontrollera) den trådlösa kanalen för en väckarklocka. Valperioden är vanligtvis 100-1000 ms. Energi slösas dock bort när ansökan inte kräver överföring av uppgifter. I det andra fallet synkroniseras noderna (figur 1 b ) och tidssynkronisering upprätthålls i nätverket. Detta innebär att klockdriften hålls låg. Detta gör det möjligt för noderna att vakna upp vid schemalagda tider och skicka data omedelbart. Även om mindre energi slösas bort än i fallet med asynkron vakna upp, energi slösas fortfarande på att upprätthålla tidssynkronisering. De flesta förslag som bygger på asynkront uppvaknande är fokuserade på MAC-skiktet. Protokoll som B-MAC [15], Wise-MAC [16], X-MAC [17] använder periodisk kanalundersökning för att minska energiförbrukningen. För insamling av uppgifter
I REF presenterades ett protokoll för insamling av data på låg nivå, BailighPulse, för de flesta WSN-tillämpningar.
BailighPulse: A low duty cycle data gathering protocol for mostly-off Wireless Sensor Networks
{'venue': 'Comput. Networks', 'journal': 'Comput. Networks', 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}