Tesis:
Cross-layer strategies for improving the quality of service of wireless sensor networks
- Autor: ROZAS CID, Alba
- Título: Cross-layer strategies for improving the quality of service of wireless sensor networks
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69589/
- Director/a 1º: ARAUJO PINTO, Álvaro
- Resumen: Wireless sensor networks (WSNs) are increasingly utilized in all kinds of environments, their potential applications being constantly updated and extended. As a result, there is a particularly high interest in the research community to solve their identified problems and challenges, particularly in terms of energy consumption and autonomy, given the limited power source of their nodes. In this context, the network lifetime emerges as a useful concept to evaluate the performance of energy-efficient algorithms. This expression refers to the period of time from the beginning of the network’s operation to the moment it no longer provides its intended functionality. Consequently, the concept is intrinsically related to the particular application or purpose of the WSN. However, a review of the literature of the field demonstrates that the network’s application is rarely considered in strategies and mechanisms aimed at lifetime extension. Attending to the application requirements would not only provide a better assessment of the effective lifetime but also an enhanced performance of the algorithms focused on its extension. In addition, this application-centric approach would result in a much better provision of the network’s quality of service (QoS). This is particularly true for the periods of performance degradation that occur at the end of the network’s operation when the available energy is scarce and nodes stop being able to fulfill their assigned duties. In this context, a controlled degradation strategy dictated by the application needs would not only provide an enhanced QoS performance, but could also result in an effective extension of its lifetime. Taking all these aspects into account, we establish a core hypothesis of this Ph.D. work: a careful consideration for the network’s application can improve the overall QoS of the WSN while having the potential to simultaneously increase its lifetime. The main objective of this thesis work is, consequently, the development of strategies aimed at improving the QoS management of wireless sensor networks while also extending their effective lifetime. This goal has been accomplished by a series of incremental contributions. In the first place, a thorough review of the existing lifetime definitions in the literature of the field is presented, along with a proposed taxonomy for their classification. This review confirms the aforementioned underestimation of the network’s application. It also states the need for a new lifetime definition able to successfully attend to its requirements, in order to use it as an evaluation metric in our proposed strategies. Thus, a new universal, flexible and QoS-centric lifetime expression is presented in the context of this Ph.D. Its potential and usefulness is demonstrated by means of a proof of concept performed under the conditions of a simulated scenario. This proof of concept also corroborates the validity of the above hypothesis, with a particular controlled degradation strategy being confirmed to simultaneously extend the effective lifetime and provide an improved QoS from the application’s perspective. This QoS-centric approach was subsequently applied to a more realistic and complex WSN scenario to further confirm its validity and effectiveness. This research effort resulted in one of the main contributions obtained in the course of this Ph.D.: a complete cross-layer strategy focused on improving the QoS of WSNs. Specifically, this strategy consists in an application-aware clustering routing protocol aimed at providing an enhanced management of the QoS. The proposed protocol features a cross-layer approach by considering application-layer QoS requirements such as the throughput and latency, when selecting the configuration parameters of the lower layers. A series of simulations presented in this dissertation confirm the enhanced quality of service provided by the strategy, while also certifying the energy-efficient aspect of its clustering approach. In particular, for some configurations of the simulated scenario, the protocol is confirmed to increase the throughput value by over 200% and reduce the end-to-end packet latency by up to 80%. The development of this protocol and its subsequent positive evaluation accomplishes the primary objective set for the Ph.D., as reflected in its title. The last stage of this thesis work was focused on applying the acquired knowledge to a new scenario with particular requirements in order to test its validity and adaptability. The selected field of application consisted in the paradigm of wireless body area networks (WBANs). These networks can be considered a subset of WSNs and share some of their main characteristics and challenges. However, they present several differences derived from their unique features of constant node mobility and over-the-body radio propagation. These particularities cause WBAN wireless links to display a very distinctive time-variant characteristic, heavily influenced by the subject’s posture changes or body motions. A comprehensive empirical performance analysis of WBAN channels is presented as part of this thesis work. This study characterizes the behavior of several WBAN links in terms of the received signal strength indicator (RSSI) and packet reception rate (PRR) metrics, while the subject performs different everyday static and dynamic activities. The empirical dataset was obtained using real hardware nodes with wireless interfaces in three different frequency bands. Apart from the frequency, the effect of the transmit power and node placement was studied for various subjects. This analysis confirms the theoretical notions of attenuation caused by body tissue obstructing the signal path. It also provides a useful and exploitable characterization of the periodicity displayed by WBAN channels during various dynamic physical activities. ----------RESUMEN---------- Las redes inalámbricas de sensores son cada vez más utilizadas en todo tipo de escenarios de forma que constantemente están apareciendo posibles nuevas aplicaciones para estos sistemas. En consecuencia, la comunidad investigadora tiene un gran interés en solucionar o mejorar los problemas identificados en su funcionamiento. En particular, la reducción de su consumo energético tiene una enorme importancia, dado que los dispositivos típicos de estas redes tienen una fuente de energía limitada. En este contexto, el tiempo de vida de la red resulta un concepto útil para evaluar la efectividad de los algoritmos destinados a mejorar su eficiencia energética. Esta expresión se refiere al periodo de tiempo que transcurre desde que la red entra en funcionamiento hasta que deja de proporcionar la funcionalidad para la que ha sido diseñada. Por tanto, el concepto está intrínsecamente relacionado con la aplicación o el propósito de cada red de sensores particular. Sin embargo, una revisión de la literatura de este campo nos demuestra que la aplicación es ignorada habitualmente a la hora de desarrollar estrategias enfocadas al aumento del tiempo de vida. Prestar atención a los requisitos y características de la aplicación de la red no solo conseguiría una evaluación más precisa del tiempo de vida efectivo, sino que además lograría un mejor comportamiento de los algoritmos dedicados a su extensión. En consecuencia, esta atención a las particularidades de la aplicación daría como resultado una mucho mejor prestación de la calidad de servicio por parte de la red. Esto es especialmente relevante durante los periodos de deterioro de funcionalidad que suelen ocurrir hacia el final de su vida útil, cuando la energía disponible empieza a escasear y los nodos no son capaces de cumplir con su cometido. Una estrategia destinada al control de esta degradación, basada en las necesidades de la aplicación, lograría una mejor calidad de servicio además de poder aumentar el tiempo de vida efectivo. Teniendo en cuenta todos estos aspectos se estableció una de las principales hipótesis en el contexto de esta investigación: atender a las necesidades de la aplicación de la red puede lograr una mejora en su calidad de servicio, a la vez de extender su tiempo de vida efectivo. El objetivo principal de esta tesis doctoral es, por tanto, el desarrollo de estrategias destinadas a la mejora de la calidad de servicio de las redes inalámbricas de sensores y, simultáneamente, a la extensión de su tiempo de vida. Este objetivo ha sido alcanzado a través de una serie de contribuciones incrementales. En primer lugar, presentamos una detallada revisión de las definiciones de tiempo de vida existentes en la literatura, junto con una taxonomía propuesta para su clasificación. Esta revisión confirma la frecuente subestimación de la aplicación de la red en este contexto. Además, certifica la necesidad de elaborar una nueva definición de tiempo de vida capaz de considerar los requisitos de la aplicación de forma efectiva, lo cual es necesario para el futuro desarrollo y evaluación de las estrategias propuestas. Por lo tanto, como parte de este trabajo, se ha desarrollado una nueva definición para el tiempo de vida que es universal, flexible y está centrada en la calidad de servicio. Su utilidad ha sido demostrada mediante una prueba de concepto establecida sobre un escenario de simulación. Esta prueba de concepto corrobora la validez de la hipótesis propuesta e incluye una estrategia de control de la degradación que demuestra ser capaz de extender el tiempo de vida a la vez de mejorar la calidad de servicio. Con el objetivo de confirmar su validez y efectividad, esta misma aproximación se aplicó más adelante a un escenario más realista y complejo en el contexto de las redes inalámbricas de sensores. Esta etapa de la investigación dio lugar a una de las principales contribuciones obtenidas en el contexto de este trabajo de doctorado: una estrategia multicapa destinada a la mejora de la calidad de servicio de la red. En concreto, esta estrategia consiste en un protocolo de agrupamiento jerárquico (clustering) destinado a una mejor gestión de la calidad de servicio. El protocolo propuesto es multicapa, dado que considera requisitos de calidad de servicio como la latencia o la tasa de datos, pertenecientes a la capa de aplicación, a la hora de seleccionar los parámetros de configuración de las capas inferiores. La mejora de la calidad de servicio proporcionada por esta estrategia se ha demostrado mediante una serie de simulaciones en las que también se ha corroborado la eficiencia energética del protocolo. En concreto, para algunas configuraciones del escenario simulado, el protocolo logra una mejora de la tasa de datos de más del 200%, y una reducción de la latencia de hasta el 80%. El diseño e implementación de este protocolo y su posterior evaluación positiva suponen la consecución del objetivo global marcado para esta tesis doctoral. La última fase de este trabajo se ha enfocado en aplicar el conocimiento adquirido en un nuevo escenario con requisitos diferentes, de cara a evaluar su viabilidad y utilidad. El nuevo ámbito elegido ha sido el de las redes inalámbricas de área corporal, que pueden considerarse un subconjunto de las redes inalámbricas de sensores. Estas redes presentan particularidades derivadas de la constante movilidad de sus nodos y de la propagación de ondas de radiofrecuencia en el entorno del cuerpo. Estas características hacen que sus canales inalámbricos tengan una marcada variación temporal provocada por los cambios posturales y los movimientos del sujeto de la red. Se ha desarrollado un completo análisis empírico del comportamiento de estos canales inalámbricos en el contexto de este trabajo de investigación. El estudio caracteriza estos enlaces inalámbricos en base a las métricas de intensidad de señal recibida y tasa de recepción de paquetes, mientras el sujeto realiza diversas actividades físicas. Esta serie de medidas se han obtenido mediante dispositivos reales con interfaces inalámbricas en tres bandas de frecuencia, evaluando también el efecto de la potencia de transmisión y de la posición de los nodos sobre el cuerpo. Este análisis empírico confirma los resultados teóricos esperados en cuanto a la atenuación provocada por partes del cuerpo que obstruyen el camino de la señal. También proporciona una útil caracterización de la periodicidad de estos canales durante la realización de varias actividades físicas.