Strategies for increasing maximum throughput and reducing latency in tree-based WSNs

Strategien zur Steigerung des Datendurchsatzes und zur Reduzierung der Latenz in drahtlosen Sensornetzwerken mit baumartiger Topologie

  • This thesis deals with strategies for achieving high data throughput in wireless sensor networks that use a time division multiple access (TDMA) scheme to resolve medium access. The thesis uses a multi-sided approach that deals not only with the scheduling algorithm but also with the network layer and the interference model. The thesis proposes four solutions that significantly improve data throughput, fairness, and latency in the considered scenario. The thesis starts with an overview of state-of-the-art medium access control (MAC) protocols, emphasizing TDMA. Based on this overview, it is concluded that not much space for improvement is left in the field of schedule calculation algorithms; many such algorithms are proposed up to date, and they can achieve schedule lengths close to the theoretical minimum. However, the research also reveals a lack of in-detail evaluation and comparison of these algorithms; this makes choosing the most suitable algorithm for a particular application hard and performance estimation inaccurate.This thesis deals with strategies for achieving high data throughput in wireless sensor networks that use a time division multiple access (TDMA) scheme to resolve medium access. The thesis uses a multi-sided approach that deals not only with the scheduling algorithm but also with the network layer and the interference model. The thesis proposes four solutions that significantly improve data throughput, fairness, and latency in the considered scenario. The thesis starts with an overview of state-of-the-art medium access control (MAC) protocols, emphasizing TDMA. Based on this overview, it is concluded that not much space for improvement is left in the field of schedule calculation algorithms; many such algorithms are proposed up to date, and they can achieve schedule lengths close to the theoretical minimum. However, the research also reveals a lack of in-detail evaluation and comparison of these algorithms; this makes choosing the most suitable algorithm for a particular application hard and performance estimation inaccurate. Therefore, an extensive evaluation of state-of-the-art TDMA protocols using simulations and over 200 randomly generated networks was performed to tackle this issue. The results allow choosing an appropriate algorithm and estimating performance for each specific application. Next, the problem of multiple packet transmissions during a single time slot is analyzed. State-of-the-art TDMA protocols assume that one packet can be transmitted in each slot and optimize the number of slots each node gets under this assumption. However, when nodes can transmit more than one packet, the performance of such a schedule is impaired. To solve this, the M-TreeMAC protocol is proposed; this protocol considers the actual number of packets transmitted in a time slot and optimizes the schedule accordingly. Furthermore, it is observed that the routing topology heavily impacts the schedule length created using this algorithm; an algorithm that optimizes the topology to result in the shortest schedule when M-TreeMAC is used is proposed, increasing benefits even further. Finally, the accuracy of the 2-hop interference model, commonly used by state-of-the-art TDMA scheduling algorithms, is studied and simulated using a realistic radio model based on measurement results. The results show high packet loss ratios for packets traveling a large number of hops to reach the sink. The adaptive interference model is proposed to improve the 2-hop interference model. The proposed model can increase throughput significantly in networks with a height of ten or more hops.show moreshow less
  • Diese Promotion befasst sich mit Strategien zur Erzielung eines hohen Datendurchsatzes in drahtlosen Sensornetzwerken, die ein Zeitmultiplexverfahren (TDMA) verwenden, um den Medienzugriff zu regeln. Die Arbeit verwendet einen komplexen Ansatz, der sich nicht nur mit dem Scheduling-Algorithmus, sondern auch mit der Netzwerkschicht und dem Interferenzmodell befasst. Die Arbeit schlägt vier Lösungen vor, die den Datendurchsatz, die Fairness und die Latenz im betrachteten Szenario signifikant verbessern. Die Promotion beginnt mit einem Überblick über aktuelle MAC-Protokolle (Medium Access Control) mit Schwerpunkt auf TDMA. Basierend auf dieser Übersicht wird der Schluss gezogen, dass im Bereich der Berechnungen durch Schedule Algorithmen nicht viel Raum für Verbesserungen verbleibt. Viele solcher Algorithmen werden bis heute vorgeschlagen, und sie können Schedule-Längen nahe dem theoretischen Minimum erreichen. Die Forschung zeigt jedoch auch einen Mangel an detaillierter Bewertung und Vergleich dieser Algorithmen; dies macht dieDiese Promotion befasst sich mit Strategien zur Erzielung eines hohen Datendurchsatzes in drahtlosen Sensornetzwerken, die ein Zeitmultiplexverfahren (TDMA) verwenden, um den Medienzugriff zu regeln. Die Arbeit verwendet einen komplexen Ansatz, der sich nicht nur mit dem Scheduling-Algorithmus, sondern auch mit der Netzwerkschicht und dem Interferenzmodell befasst. Die Arbeit schlägt vier Lösungen vor, die den Datendurchsatz, die Fairness und die Latenz im betrachteten Szenario signifikant verbessern. Die Promotion beginnt mit einem Überblick über aktuelle MAC-Protokolle (Medium Access Control) mit Schwerpunkt auf TDMA. Basierend auf dieser Übersicht wird der Schluss gezogen, dass im Bereich der Berechnungen durch Schedule Algorithmen nicht viel Raum für Verbesserungen verbleibt. Viele solcher Algorithmen werden bis heute vorgeschlagen, und sie können Schedule-Längen nahe dem theoretischen Minimum erreichen. Die Forschung zeigt jedoch auch einen Mangel an detaillierter Bewertung und Vergleich dieser Algorithmen; dies macht die Auswahl des am besten geeigneten Algorithmus für eine bestimmte Anwendung schwierig und die Leistungsschätzung ungenau. Daher wurde eine umfassende Bewertung von TDMA-Protokollen nach dem Stand der Technik unter Verwendung von Simulationen und über 200 zufällig generierten Netzwerken durchgeführt, um dieses Problem anzugehen. Die Ergebnisse ermöglichen die Auswahl eines geeigneten Algorithmus und die Abschätzung der Leistung für jede spezifische Anwendung. Als nächstes wird das Problem mehrerer Paketübertragungen während eines einzelnen Zeitschlitzes analysiert. TDMA-Protokolle nach dem Stand der Technik gehen davon aus, dass in jedem Schlitz ein Paket übertragen werden kann, und optimieren die Anzahl von Schlitzen, die jeder Knoten unter dieser Annahme erhält. Wenn Knoten jedoch mehr als ein Paket übertragen können, wird die Leistung eines solchen Zeitplans beeinträchtigt. Um dies zu lösen, wird das M-TreeMAC-Protokoll vorgeschlagen. Dieses Protokoll berücksichtigt die tatsächliche Anzahl der in einem Zeitschlitz übertragenen Pakete und optimiert den Zeitplan entsprechend. Darüber hinaus wird beobachtet, dass die Routing-Topologie die mit diesem Algorithmus erstellte Zeitplanlänge stark beeinflusst. Ein Algorithmus, der die Topologie optimiert, um bei Verwendung von M-TreeMAC den kürzesten Zeitplan zu erzielen, wird vorgeschlagen. Schließlich wird die Genauigkeit des 2-Hop-Interferenzmodells untersucht und unter Verwendung eines realistischen Funkmodells basierend auf Messergebnissen simuliert. Die Ergebnisse zeigen hohe Paketverlustquoten für Pakete, die eine große Anzahl von Sprüngen durchlaufen, um die Senke zu erreichen. Das adaptive Interferenzmodell wird vorgeschlagen, um das 2-Hop-Interferenzmodell zu verbessern. Das vorgeschlagene Modell kann den Durchsatz in Netzwerken mit zehn oder mehr Hops erheblich steigern.show moreshow less

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Metadaten
Author: Aleksandar Ilić
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64986
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6498
Referee / Advisor:Prof. Dr. Peter LangendörferORCiD, Prof. Dr.-Ing. Jörg Nolte
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/05/03
Release Date:2023/11/08
Tag:Drahtlose Sensornetzwerke; Interferenz; Maximierung des Datendurchsatzes; Zeitmultiplexverfahren
Interference; TDMA; Throughput optimization; WSN
GND Keyword:Drahtloses Sensorsystem; Funkübertragung; TDMA; Energieeffizienz
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Drahtlose Systeme
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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