Mobility and Multi-channel Communications in Low-power Wireless Networks

• Main Author: Gonga, António
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: KTH, Reglerteknik 2015
• Subjects: Mobility; Multi-channel communications; Neighbor Discovery; MAC Protocols; Low-power Wireless Networks
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-177648; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7595-747-0

The prospect of replacing existing fixed networks with cheap, flexible and evenmobile low-power wireless network has been a strong research driver in recent years.However, many challenges still exist: reliability is hampered by unstable and burstycommunication links; the wireless medium is getting congested by an increasingnumber of wireless devices; and life-times are limited due to difficulties in developingefficient duty-cycling mechanisms. These challenges inhibit the industry to fullyembrace and exploit the capabilities and business opportunities that low-powerwireless devices offer. In this thesis, we propose, design, implement, and evaluateprotocols and systems to increase flexibility and improve efficiency of low-powerwireless communications. First, we present MobiSense, a system architecture for energy-efficient communicationsin micro-mobility sensing scenarios. MobiSense is a hybrid architecturecombining a fixed infrastructure network and mobile sensor nodes. Simulations andexperimental results show that the system provides high throughput and reliabilitywith low-latency handoffs. Secondly, we investigate if and how multi-channel communication can mitigate theimpact of link dynamics on low-power wireless protocols. Our study is motivated bya curiosity to reconcile two opposing views: that link dynamics is best compensatedby either (i) adaptive routing, or (ii) multi-channel communication. We perform acomprehensive measurement campaign and evaluate performance both in the singlelink and over a multi-hop network. We study packet reception ratios, maximumburst losses, temporal correlation of losses and loss correlations across channels.The evaluation shows that multi-channel communication significantly reduces linkburstiness and packet losses. In multi-hop networks, multi-channel communicationsand adaptive routing achieves similar end-to-end reliability in dense topologies,while multi-channel communication outperforms adaptive routing in sparse networkswhere re-routing options are limited. Third, we address the problem of distributed information exchange in proximitybasednetworks. First, we consider randomized information exchange and assess thepotential of multi-channel epidemic discovery. We propose an epidemic neightbordiscoverymechanism that reduces discovery times considerably compared to singlechannelprotocols in large and dense networks. Then, the idea is extended todeterministic information exchange. We propose, design and evaluate an epidemicinformation dissemination mechanism with strong performance both in theory andpractice. Finally, we apply some of the concepts from epidemic discovery to the designof an asynchronous, sender-initiated multi-channel medium access protocol. Theprotocol combines a novel mechanism for rapid schedule learning that avoids perpacketchannel negotiations with the use of burst data transfer to provide efficientsupport of ’multiple contending unicast and parallel data flows. === De senaste åren har forskning inom trådlös kommunikation drivits av önskemåletom att kunna ersätta nuvarande trådbundna kommunikationslänkar med trådlösa lågenergialternativ.Dock kvarstår många utmaningar, såsom instabila och sporadiskalänkar, överbelastning på grund av en ökning i antal trådlösa enheter, hur maneffektivt kan växla duty-cycling mekanismen för att förlänga nätverkens livstid,med flera. Dessa utmaningar begränsar industrin från att ta till sig och utnyttjade fördelar som trådlösa lågenergialternativ kan medföra. I den här avhandlingenföreslår, designar, implementerar och utvärderar vi protokoll och system som kanförbättra de nuvarande trådlösa lågenergialternativen. Först presenterar vi MobiSense, en systemarkitektur för energibesparande kommunikationi mikro-mobila sensorscenarier. MobiSense är en hybridarkitektur somkombinerar ett fast infrastrukturnätverk med rörliga sensornoder. Simulerings- ochexperimentella resultat visar att systemet uppnår en högre överföringskapacitet ochtillförlitlighet samtidigt som överlämnandet mellan basstationer har låg latens. I den andra delen behandlar vi hur effekterna från länkdynamiken hos protokollför lågenergikommunikation kan minskas, och försöker förena idéerna hos två motståendesynsätt: (i) flerkanalskommunikation och (ii) adaptiv routing. Vi analyserarenkanals- och flerkanalskommunikation över en-stegslänkar i termer av andelenmottagna paket kontra andelen förlorade, den maximala sporadiska förlusten avpaket, tidskorrelation för förluster och förlustkorrelation mellan olika kanaler. Resultatenindikerar att flerkanalskommunikation med kanalhoppning kraftigt minskardet sporadiska uppträdandet hos länkarna och korrelationen mellan paketförluster.För flerstegsnätverk uppvisar flerkanalskommunikation och adaptiv routingliknande tillförlitlighet i täta topologier, medan flerkanalskommunikation har bättreprestanda än adaptiv routing i glesa nätverk med sporadiska länkar. I den tredje delen studeras distribuerat informationsutbyte i närhetsbaseradenätverk. Först betraktas det slumpmässiga fallet och vi fastställer potentialen hosflerkanalig indirekt utforskning av nätverket. Vi analyserar ett trestegs protokoll,som möjliggör en snabbare utforskning av nätverket. Sedan föreslår vi en ny algoritmför att upptäcka grannarna i ett flerkanalsnätverk, som kraftigt minskarutforskningstiden i jämförelse med ett enkanalsprotokoll. Vi utökar även problemettill det deterministiska fallet och föreslår en mekanism för informationsspridningsom påskyndar utforskningstiderna för deterministiska protokoll. Utvidgningen hartvå huvudförbättringar som leder till kraftigt ökad prestanda samtidigt som degaranterar att utforskningsprocessen är deterministisk. Till sist applicerar vi koncepten rörande indirekt utforskning för att designa,implementera och evaluera ett asynkront sändare-initierat flerkanals MAC protokollför trådlös lågenergikommunikation. Protokollet kombinerar en ny mekanism försnabbt lärande av tidsschemat, vilket undviker kanalförhandling för varje paket,med sporadisk dataöverföring. Detta möjliggör ett effektivt tillhandahållande avflera konkurrerande och parallella dataflöden. === <p>QC 20151204</p>