PMAC: An adaptive energy-efficient MAC protocol for Wireless Sensor Networks
Norman, Oklahoma 73019–6151
Email: tao@ou.edu
Sridhar Radhakrishnan †, School of Computer Science, University of Oklahoma
Norman, Oklahoma 73019–6151
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Venkatesh Sarangan, Computer Science Department, Oklahoma State University
Stillwater, Oklahoma 74078
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1. Introducción
Las redes inalámbricas sensoriales son nuevos tipos de redes ad-hoc de propósito especial. Tienen numerosas aplicaciones en varios campos como el monitoreo de hábitats, seguimiento de objetivos, seguridad del hogar, etc. estas redes son desplegadas en forma ad-hoc, compartiendo el mismo medio de comunicación. Los nodos son operados con baterías y se dejan desatendidos. Por lo tanto, el ahorro de energía es un tema crítico en las redes de sensores inalámbricas. Muchos esfuerzos de investigación en los últimos años se han centrado en el desarrollo de planes de ahorro de energía para redes de sensores inalámbricas.
El protocolo MAC es requerido en redes sensoriales para coordinar el acceso a los medios compartidos. Diseñar protocolos MAC eficientes es una de las formas para prolongar la vida útil de la red.
SMAC es un protocolo MAC diseñado para redes sensoriales. Obliga a los nodos a funcionar a un ciclo de trabajo bajo al poner los nodos en sueño periódico en lugar de escucha inactiva. Aunque SMAC tiene mayor ahorro de energía que 802.11, no se adapta al tráfico de red, ya que usa un ciclo de trabajo fijo para todos los nodos.
El protocolo MAC de Tiempo límite (TMAC) mejora el SMAC con un ciclo de trabajo adaptativo. Si no hay actividad durante un tiempo TA en un nodo dado, este se duerme. Tal adaptación libera la aplicación de la carga de selección de un ciclo de trabajo apropiado. TMAC tiene el mismo rendimiento que SMAC bajo cargas de tráfico constante, pero ahorra más energía en un marco de trabajo variable.
El problema con esa política de conservación de energía agresiva es que si los nodos se van rápido a dormir, incrementa la latencia y disminuye el throughput.
En el paper se propone un protocolo MAC llamado Pattern-MAC (PMAC) para redes sensoriales que adaptativamente determina el tiempo de dormir/despertar para un nodo basado en su propio tráfico y el de sus vecinos.
2. Descripción de PMAC
PMAC es un protocolo de tiempo en lapsos como SMAC. En SMAC un nodo puede mantenerse despierto por un determinado tiempo dentro de un lapso de tiempo e irse a dormir despues de eso, mientras que en PMAC puede mantenerse dormido o despierto durante un lapso de tiempo.
A. Lógica tras PMAC
La escucha inactiva es una de las principales fuentes de pérdida de energía. Los protocolos MAC para ahorrar energía tratan de minimizar el tamaño de el periodo de escucha. En SMAC los nodos tienen que despertar aunque no exista tráfico, desperdiciando energía. EN TMAC, los nodos tienen que despertar al comienzo de cada de cada período de tiempo durante un tiempo TA, incluso cuando no hay tráfico en la red. En PMAC, un nodo obtiene informacion de su actividad basado en la actividad de sus vecinos a travez de patrones. A partir de esto, un nodo puede ponerse a dormir durante largos períodos de tiempo para varios marcos de tiempo cuando no hay tráfico. De esta manera se trata de lograr que PMAC intente ahorrar más energía que SMAC y TMAC sin comprometer el rendimiento.
B. Patrones vs Tiempos
Un patrón de dormir/despertar es una cadena de bits indicando el plan tentativo para dormir/despertar para un nodo sobre varios lapsos de tiempo. Un bit 1 indica que el nodo se mantendrá despierto durante un lapso de tiempo, mientras que un bit 0 indica que el nodo dormirá.
3. Detalles del protocolo
El patrón del nodo altera los tiempos de dormir y despertar. Para generar un buen throughput sin comprometer el ahorro de energía es importante que el patrón generado se adapte al tráfico de red.
A. Generación de patrones
Siendo Pj una cadena de bits representando el patrón de un nodo j. Este patrón es asociado al nodo j sobre N lapsos de tiempo. Llamaremos a esta secuencia como un período. Si Pj es menor a N, entonces el patrón se repite durante el tiempo restante. por ejemplo si Pj es = 1 y N = 5, entonces el plan tentativo para el nodo j sobre los siguientes 5 lapsos de tiempo será 01010.
B. Cambio de patrones
El patrón generado es solo un plan tentativo. En PMAC, el verdadero plan de dormir/despertar es derivado basado sobre el propio patrón del nodo y de los patrones de los vecinos.
Nuevos patrones son generados para los períodos subsecuentes, son transmitidos por los nodos al final del período actual.
Para acomodar este cambio de patrones, el tiempo es dividido en supero marcos de tiempo (STF). Cada STF consiste de dos sub-marcos.
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El segundo sub-marco es llamado Marco de Tiempo de Cambio de Patrón (PETF) durante el cual, los nuevos patrones se intercambian entre vecinos, se divide entre varios lapsos de duración TE. El patrón es cíclicamente repetido durante el PRTF el cual cada lapso de tiempo tiene un bit asignado.
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4. Discusión cualitativa
A. Adaptabilidad a condiciones de tráfico
El número de bits 0 en los nuevos patrones crece exponencialmente cuando la carga de tráfico es ligera. Esto significa que los nodos pueden caer en largo sueño rápidamente sobre cargas ligeras. De esta manera se logra un mayor ahorro de energía. Si cualquier información es detectada, se agregará un 1 a la cadena, lo que permite que el nodo despierte rápidamente cuando la carga de trafico llega.
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B. Ahorro de energía mediante localización
Solo aquellos nodos involucrados en la comunicación despertarán rápidamente, el resto se mantendrán dormidos.
C. Ahorro de energia mediante escucha inactiva
Se ha descrito como PMAC ahorra energía permitiendo a los nodos quedarse dormidos si no hay comunicación entre ellos. Esto reduce la energía gastada debido a la escucha inactiva de los periodos de dormir/despertar de SMAC. PMAC también introduce una escucha inactiva adicional. Esto ocurre cuando en el patrón hay dos lapsos de tiempo consecutivos donde el nodo se despierta, pero en el segundo no hay comunicación.
D. Tiempo de sincronización
Puesto que el tiempo está en lapsos, algún nivel de sincronización entre nodos es necesario. Como sea, como solo grandes escalas están involucradas, no hay problemas de reloj. Los lapsos PETF envían un paquete SYNC para advertir a los nuevos nodos a ajustar sus relojes.
5. Conclusiones
En este trabajo se propone un nuevo protocolo MAC, llamado PMAC, donde se determinan de forma adaptativa los tiempos de sueño de activación de los nodos. Los tiempos se deciden con base al propio tráfico del nodo y la de sus vecinos. Los resultados experimentales muestran que en comparación con SMAC, PMAC logra un mayor ahorro de energía bajo cargas ligeras, y un mayor rendimiento bajo cargas de tráfico más pesados.
El rendimiento mejorado de PMAC sugiere que el 'intercambio de patrones' es un marco prometedor para la mejora de la eficiencia energética de los protocolos MAC utilizados en redes sensoriales. Actualmente se está llevando a cabo un análisis comparativo de la PMAC propuesta con otros protocolos adaptativos MAC como TMAC y DMAC para la transferencia de datos de velocidad binaria variable. También se tiene para llevar a cabo un análisis detallado de PMAC bajo diversos tipos de tráfico, tales como la radiodifusión, convergecast y punto a punto. Se cree que PMAC se puede mejorar con mecanismos de tiempo de espera a lo largo de las líneas de TMAC, y de ese modo lograr un rendimiento aún mejor.
Se está desarrollando un mejor patrón y planes de generación de horarios para mejorar la eficiencia energética y la latencia de transferencia de datos de PMAC.
Crítica:
Al parecer, es un protocolo que aunque está en desarrollo, tiene buenas oportunidades para sobresarlir entre los sugeridos (SMAC, TMAC, etc.). Los resultados muestran que realmente hay un consumo menor de energía y aumento de rendimiento bajo ciertas condiciones.
Para condiciones de poca carga se muestra que hay un ahorro de energía mayor. Para condiciones donde la carga de tráfico es mayor, hay un aumento de rendimiento con un consumo moderado.
El paper menciona varias veces que el protocolo se basa en patrones de vecinos generados, esto significa que los primeros nodos generan un patrón poco adaptado, que tal vez no signifique gran cosa, pero si a gran escala.
Referencia:
https://perso.ens-lyon.fr/eric.fleury/CPS/ART/Projet/pmac/01420161.pdf
Sobran los datos de las asociaciones laborales de los autores al inicio. En la referencia al final, faltan los datos sobre cómo, cuándo y dónde fue publicado. Checa un tutorial de referencias bibliográficas. 6 pts.
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