Design Considerations for Medium Access Control in Resource Constrained Embedded Wireless ...

246 Pages·2012·17.63 MB·English

Design Considerations for Medium Access
Control in Resource Constrained Embedded
Wireless Networks
Von der Fakulta¨t fu¨r Elektrotechnik und Informationstechnik der
Rheinisch-Westfa¨lischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung
des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Junaid Ansari, M.Sc.
aus Karlsruhe, Deutschland
Berichter: Univ.-Prof. Dr. Petri Ma¨ho¨nen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Ascheid
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 12 September 2012
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfugbar.

A
BSTRACT
Recent years have experienced a huge influx of daily life applications based on em-
beddedwirelessnetworks.Whilenewapplicationswithmoredemandingrequirements
and challenging deployment conditions are being explored, most of the existing net-
workssufferfromcommunicationdeficiencies,inefficientuseofresources,andinabi-
lity to satisfy desired quality of service requirements. In order to carry on exploitation
andexplorationofembeddedwirelessnetworksindifferentdailylifeapplications,the-
re is a need for bridging the widening gulf between growing application demands and
capabilitiesoftheembeddednetworkingsolutions.
Medium Access Control (MAC) protocols play a critically important role in em-
beddedwirelesscommunicationandheavilyinfluencetheperformancecharacteristics
of a network. The increasing popularity of embedded wireless networks demand new
MAC solutions that best suit to the application requirements and the deployment con-
ditions. Vast literature exists on the fundamentals of MAC designs especially on their
theoreticalunderpinnings.Oneofthebiggestconcernsformanyresearchersandprac-
titioners is that a large number of the proposed MAC schemes when implemented in
real applications often fail to provide the behaviour as seen in analytical and simula-
tion studies. The underlying reasons mainly include lack of practical insights due to
unavailabilityofprototypeimplementationandunrealisticdeploymentassumptions.
This dissertation aims at bridging the gap between theory and practice of MAC
protocols for embedded wireless networks through development of new protocols and
analysis of existing solutions. The work mainly targets wireless sensor- and cognitive
wirelessnetworks.ItinvestigatesMACdesignaspectswithhighpracticalsignificance:
energyefficiency,spectrumagility,runtimereconfigurabilityandcross-layermethodo-
logies. A novel solution of combining radio-triggered wake-ups with MAC protocols
forextremelylow-poweroperationandaspecializeddual-radiobasedMACdesignfor
highly energy efficient communication has been developed. An innovative MAC pro-
tocol is introduced for spectrum agility and distributed dynamic channel access in re-
sourceconstrainedembeddedwirelessnetworks.Forenablingruntimereconfiguration
toMACsolutionsandfastprototyping,acomponentorientedframeworkisdeveloped.
Different cross-layer design approaches are investigated for MAC-routing stack opti-
mization and achieving higher network efficiency. All the concepts introduced in this
workhavebeenvalidatedthroughprototypeimplementationandextensiveperforman-
ceevaluationonrealnodetestbedsunderrealisticapplicationconditions.Furthermore,
comparative empirical studies of the proposed solutions with existing state-of-the-art
designsareconductedunderthesametraffic,networkandspectralconditions.Theex-
perimental results indicate that the developed MAC protocols have high relevancy to
real-worldapplicationsanddeploymentscenarios.
i

K
URZFASSUNG
Die vergangenen Jahre zeichnen sich durch einen enormen Zuwachs an Applikatio-
nen aus die auf eingebetteten Drahtlosnetzwerken basieren. Immer anspruchsvollere
ApplikationenwerdeninschwierigenEinsatzszenarienerprobtundenthu¨llen,dassbe-
stehendeKommunikationsnetzeDefiziteaufweisen,Ressourcennurineffizientnutzen
undnichtdiegewu¨nschteService-Qualita¨tliefernko¨nnen.UmdieAusnutzungundEr-
forschung von eingebetteten Drahtlosnetzwerken fu¨r verschiedene allta¨gliche Zwecke
voranzutreiben, mu¨ssen Bru¨cken geschlagen werden, die die Kluft zwischen steigen-
den Anforderungen an Applikationen und den Mo¨glichkeiten eingebetteter Netzwer-
klo¨sungenu¨berwinden.
Medienzugriffsprotokolle (MACs) spielen eine kritische und wichtige Rolle fu¨r
eingebettetedrahtloseKommunikation,dasieeinengroßenEinflussaufdieLeistungs-
charakteristik eines Netzwerkes haben. Die Popularita¨t von eingebetteten Drahtlos-
netzwerken verlangt nach neuen maßgeschneiderten MAC-Lo¨sungen fu¨r den jewei-
ligen Einsatzzweck und die vorgefundenen Umweltbedingungen. Bereits heute gibt
es umfangreiche Erkenntnisse u¨ber die grundlegenden Entwurfstechniken fu¨r MACs,
hierbei insbesondere u¨ber deren theoretischen Unterbau. Forscher und Praktiker be-
trachtenallerdingsmitSorge,dassvieledervorgeschlagenenMAC-Lo¨sungenimprak-
tischen Einsatz nicht die in Analysen und Simulationen prognostizierten Verhaltens-
muster aufweisen. Grund fu¨r diese Diskrepanz sind ha¨ufig ein Mangel an praktischen
Erfahrungen auf Grund fehlender Prototypen und unrealistische Annahmen u¨ber die
geplanteNutzung.
Diese Dissertation versucht, eine weitere Spaltung zwischen Theorie und Praxis
der MAC-Protokolle fu¨r eingebettete Drahtlosnetzwerke zu verhindern, indem sie in-
novative Entwurfstechniken vorschla¨gt und existierende Lo¨sungen analysiert. Die Ar-
beit bezieht sich dabei hauptsa¨chlich auf drahtlose Sensornetzwerke und kognitive
Drahtlosnetzwerke. Wir untersuchen Aspekte des MAC-Entwurfs mit hoher prakti-
scher Relevanz: Energieeffizienz, Spektrumagilita¨t, die Fa¨higkeit zur Laufzeitkonfi-
guration und ebenenu¨bergreifende Methoden. Wir schlagen eine neuartige Lo¨sung
vor, die funkempfa¨ngergesteuertes Aufwecken mit MAC-Protokollen fu¨r hochgradig
stromsparenden Betrieb verbindet und ein spezielles Design fu¨r hocheffiziente, ener-
giesparendeKommunikationaufBasiseinesdualausgelegtenFunksystems.Eininno-
vatives MAC-Protokoll fu¨r agile Spektrumsnutzung und verteilten dynamischen Ka-
nalzugriff in ressourcenbeschra¨nkten eingebetteten Drahtlosnetzwerken wird vorge-
stellt. Um eine Konfiguration zur Laufzeit und einen schnellen Prototypenentwurf zu
ermo¨glichen, wird ein komponentenorientiertes Framework entwickelt. Verschiede-
ne ebenenu¨bergreifende Ansa¨tze zur Optimierung von Sicherungs- und Vermittlungs-
schicht werden im Hinblick auf ho¨here Netzwerkeffizienz untersucht. Alle in dieser
iii
iv KURZFASSUNG
ArbeitvorgestelltenKonzeptewurdendurchprototypischeImplementationenundum-
fangreiche Leistungsanalysen in echten Pru¨faufbauten unter realistischen Einsatzbe-
dingungen u¨berpru¨ft. Desweiteren wurden vergleichende empirische Studien der vor-
geschlagenenLo¨sungenmitexistierendenaktuellenDesignsuntergleichenVerkehrs-,
Netzwerk- und spektralen Bedingungen durchgefu¨hrt. Die experimentellen Ergebnis-
sedeutendaraufhin,dassdievonunsvorgeschlagenenMACseinehoheRelevanzfu¨r
praktischeApplikationenundEinsatzszenarienhaben.
A
CKNOWLEDGMENTS
I am grateful to Prof. Dr. P. Ma¨ho¨nen for giving me the scientific freedom and encou-
ragementinpursuingmyideas.Hededicatedhistimeandenergytoadvise,guideand
support me throughout this work. He taught me how to analyze problems at a much
deeper level and view things in a wider context. Light and friendly discussions with
him on the intricacies of research have always been very inspiring and motivating for
me.Iamalsoverythankfultohimforprovidingapleasantresearchatmosphere.
IwouldliketothankProf.Dr.-Ing.G.Ascheidforhisinterestinco-examiningthis
work.Hisinsightfulfeedbackhascertainlybeenuseful.
I would like to especially thank Xi Zhang for a long collaboration and enthusiasm
on various research topics. The work would have been considerably less fun without
herscientificchallengesandusefuldiscussions.
Some of the results could have not been gathered without the support of my stu-
dents.IwouldliketothankDmitryPankin,ObaidSalikeen,TobiasAng,WasifMasood
andArhamMuslimfortheircontributions.
I would like to thank my colleagues and friends who provided an enjoyable and
friendly working environment. The international diversity of the institute has always
beenrefreshingtowork.IhavelearntmanynewtechnicalskillsfromElenaMeshkova,
AleksandarKovacevicandJanneRiihija¨rvi.
I would also like to thank Gero Schmidt-Ka¨rst for helping me order various hard-
warecomponents.Histechnicalsupportasasystemadministratorandtimelypreparing
workstationsfordiverseexperimentalneedshadbeenquitehelpful.
I am thankful to RWTH Aachen University, European Union (WASP-IST-034963
and 2PARMA-FP7-ICT-2009-4-248716 projects) and German Research Foundation’s
UMICresearchcentreforprovidingnecessaryfundinggrants.Manyexperimentalstu-
dies and prototypes developed in this work would have not been possible without the
equipment grants. Also these institutions provided the travel budget to various confe-
rencesforpresentingtheachievedresultsanddemonstratingthedevelopedprototypes.
I would also like to thank our family friends, Mrs. & Prof. Dr. M. D. Zeidler for
theirencouragementduringmyMScstudiesandPhDresearch.
I am extremely fortunate to have been blessed with a very loving family. My wife
Saman has been very supportive to me in finishing this work. My sisters, Sarah and
Sadia have always been very encouraging to me throughout my studies. I am grateful
to my mother Azra Yasmin and my father Prof. Dr. M. S. Ansari for their love, keen
interest and continuous support during my PhD research. They have always been a
source of inspiration for me throughout my education and research. I dedicate this
dissertationtothem.
v

C
ONTENTS
ABSTRACT I
KURZFASSUNG III
ACKNOWLEDGMENTS V
CONTENTS VII
1 INTRODUCTION 1
1.1 MOTIVATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 MAJOR CONTRIBUTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 DISSERTATION OUTLINE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 ENERGY AWARENESS 9
2.1 CONCEPT AND IMPORTANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 CHARACTERISTICS OF RESOURCE CONSTRAINED EMBED-
DED WIRELESS NETWORKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 SOURCES OF ENERGY WASTAGE . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 TRENDS FOR LOW-POWER MAC DESIGN . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 TDMA BASED PROTOCOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 CONTENTION BASED PROTOCOLS . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 HYBRID PROTOCOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 MULTI-CHANNEL PROTOCOLS . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.5 RECEIVER INITIATED PROTOCOLS . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 COMPARISON OF ENERGY EFFICIENT MAC PROTOCOLS . . . . . . 18
2.4 ENERGY EFFICIENCY THROUGH MULTI-MODE MAC DESIGN . . . 21
2.4.1 PROTOCOL DESIGN DETAILS . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 ANALYSIS OF OPTIMUM ENERGY CONSUMPTION . . . . . . 31
2.4.3 COMPARISON OF ANALYTICAL MODEL WITH PROTOTYPE
IMPLEMENTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.4 EXPERIMENTAL PERFORMANCE ANALYSIS . . . . . . . . . 34
2.4.5 DISCUSSION AND CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 MULTI-RADIO MAC DESIGN FOR ENERGY EFFICIENCY . . . . . . 40
vii
viii CONTENTS
2.5.1 DESIGN PHILOSOPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.2 PROTOCOL DETAILS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.3 ANALYTICAL MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.4 PROTOTYPE HARDWARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.5 OPTIMUM TRANSMIT POWER LEVELS . . . . . . . . . . . . 48
2.5.6 PERFORMANCE EVALUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.7 DISCUSSION AND CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6 ENERGY EFFICIENCY USING RADIO TRIGGERED WAKE-UPS . . . 61
2.6.1 CONCEPT AND TERMINOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.6.2 DESIGN OBJECTIVES AND OPPORTUNITIES . . . . . . . . . 62
2.6.3 PERFORMANCE INEFFICIENCY OF EXISTING APPROACHES 63
2.6.4 CHOICE OF THE OPERATING FREQUENCY . . . . . . . . . . 64
2.6.5 ANTENNA CONSIDERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.6.6 PROTOTYPE HARDWARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.6.7 PERFORMANCE EVALUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.8 DISCUSSION AND CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.7 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3 SPECTRUM AGILITY AND COEXISTENCE 81
3.1 GOALS FOR LOW-POWER DYNAMIC CHANNEL ACCESS . . . . . . 82
3.1.1 LIGHTWEIGHT SPECTRUM SENSING . . . . . . . . . . . . . 82
3.1.2 SPECTRUM OCCUPANCIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.1.3 USE OF MACHINE LEARNING ALGORITHMS . . . . . . . . . 83
3.1.4 USE OF CONTROL CHANNEL(S) . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.5 LACK OF INFRASTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.6 SUPPORT FOR NETWORK DYNAMICS . . . . . . . . . . . . . 84
3.2 EXISTING APPROACHES AND THEIR SHORTCOMINGS . . . . . . . . 84
3.3 SPECTRUM AGILE MAC PROTOCOL FOR WSNS . . . . . . . . . . 87
3.3.1 PROTOCOL DETAILS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3.2 ANALYSIS FOR THE OPTIMAL ENERGY CONSUMPTION . . 93
3.3.3 PERFORMANCE EVALUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.4 COOPERATIVE CHANNEL SENSING . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.5 DISCUSSION AND CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.4 SPECTRUM AGILE MAC FOR COGNITIVE RADIO NETWORKS . . . 111
3.4.1 PROTOCOL DESIGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4.2 IMPLEMENTATION DETAILS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4.3 PERFORMANCE EVALUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.4.4 DISCUSSION AND CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.5 INTERFERENCE DETECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.5.1 EXISTINGAPPROACHESONINTERFERENCEDETECTIONAND
THEIR SHORTCOMINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122