Media access control and time synchronization in delay-sensitive multi-channel wireless sensor networks

Abstract

Wireless Sensor Networks (WSNs) consist of sensor nodes that measure the environment and one or more gateway nodes that collect the wirelessly sent information from sensor nodes. Wireless systems are free from the constraints of cables while they provide low installation costs, ease of maintenance, and flexibility. Hence, it is natural that WSNs offer an interesting solution for an innumerable number of applications although the exploitation of wireless networks brings new challenges as well because of shared and unreliable transmission media. Improving robustness and efficiency, together with the minimization of communication delays are the most important research challenges en route towards the large-scale implementation of WSNs. Media Access Control (MAC) protocols are responsible for sharing the transmission media among sensor nodes and avoiding collisions of transmissions. Motivation for the research of multi-channel MAC protocols is due to the fact that the performance of a wireless network can be significantly enhanced using multiple frequency channels simultaneously. Multi-channel communications can be used for minimization of delay which is crucial in delay-sensitive applications, such as in wireless automation and target tracking. Time synchronization is essential for many WSN applications and the use of multi-channel communications enables faster execution of the synchronization process which improves network efficiency. Most current WSNs use unlicensed parts of the frequency spectrum which have become very crowded lately. Cognitive Radio (CR) technology can be used in WSNs to avoid problems related to coexistence with other systems and enable efficient spectrum use. In this thesis a novel multi-channel MAC protocol is presented that has been designed especially to correspond to the requirements of WSN applications. By means of theoretical analysis it is shown that the proposed protocol outperforms other existing solutions with respect to delay, which is of significant importance for many WSN applications. Impacts of multi-channel communications on wireless automation and target tracking are investigated and the results show the interdependencies between communication and application parameters. In addition to these topics, a novel multi-channel time synchronization protocol is presented and practical issues related to time synchronization in CR networks are studied.

Langattomat sensoriverkot koostuvat sensorisolmuista, jotka mittaavat ympäristöä, sekä yhdestä tai useammasta yhdyskäytäväsolmusta, jotka keräävät sensorien langattomasti lähettämän informaation. Langattomat järjestelmät ovat vapaita kaapelien rajoituksista samalla tarjoten matalia asennuskustannuksia, ylläpidon helppoutta sekä joustavuutta. Näin ollen on luonnollista, että langattomat sensoriverkot ovat kiinnostava ratkaisu lukemattomille sovelluksille, siitä huolimatta, että langattomien verkkojen hyötykäyttö tuo myös uusia haasteita jaetun, epäluotettavan siirtomedian vuoksi. Robustisuuden ja tehokkuuden parantaminen yhdessä tiedonsiirtoviiveiden minimoinnin kanssa ovatkin tärkeimpiä haasteita matkalla kohti laajamittaista langattomien sensoriverkkojen käyttöönottoa. Media Access Control (MAC) -protokollat ovat vastuussa siirtomedian jakamisesta sensorisolmujen kesken ja lähetysten törmäysten välttämisestä. Monikavanaisten MAC-protokollien tutkimusta motivoi se, että langattoman verkon suorituskykyä voidaan merkittävästi parantaa käyttämällä useaa taajuuskaistaa samaan aikaan. Monikanavaista tietoliikennettä voidaan käyttää viiveen minimointiin, mikä on ratkaisevan tärkeää viiveherkissä sovelluksissa, kuten langattomassa automaatiossa ja kohteen seurannassa. Aikasynkronointi on välttämätöntä useille langattomien sensoriverkkojen sovelluksille ja monikanavaisen tietoliikenteen käyttö mahdollistaa synkronointiprosessin nopeamman suorittamisen, mikä parantaa verkon tehokkuutta. Useimmat langattomat sensoriverkot käyttävät lisensoimattomia spektrin osia, joista on tullut hyvin ruuhkaisia viimeaikoina. Kognitiiviradioiden teknologiaa voidaan käyttää langattomissa sensoriverkoissa eri järjestelmien rinnakkaiseloon liittyvien ongelmien välttämiseksi ja mahdollistamaan tehokas spektrin käyttö. Tässä väitöskirjassa esitellään uusi, erityisesti langattomien sensoriverkkosovellusten vaatimuksia vastaamaan suunniteltu monikavanainen MAC-protokolla. Teoreettisen analyysin avulla osoitetaan, että ehdotettu protokolla suoriutuu paremmin kuin muut olemassaolevat ratkaisut viiveen suhteen, mikä on hyvin tärkeää monille langattomien sensoriverkkojen sovelluksille. Monikanavaisten tietoliikennejärjestelmien vaikutusta langattomaan automaation sekä kohteen seurantaan tutkitaan ja tulokset näyttävät tietoliikenne- ja sovellusparametrien välisiä riippuvaisuuksia. Näiden aiheiden lisäksi työssä esitellään uusi monikanavainen aikasynkronointiprotokolla sekä tutkitaan kognitiiviradioverkoissa aikasynkronointiin liittyviä käytännön ongelmia.