Adaptive Medium Access Control for Heterogeneous Wireless Sensor Networks

In this PhD thesis, we consider heterogeneous Wireless Sensor Networks (WSNs) in which several sensing devices with different characteristics coexist. In contrast to a homogeneous sensor network, in heterogeneous networks different sensors may sense different physical phenomena generating traffic that have different characteristics such as monitoring temperature, pressure, and humidity. Moreover, also information criticality can be heterogeneous. Deployment of nodes also introduces heterogeneity in the network. Depending on the specific application in fact, initial deployment can be random with the result that the distribution of nodes across the playground may be non-homogeneous. In addition to this, other factors such as node death because of energy resource exhaustion, mobility, or generic fault influence the heterogeneity of the distribution of nodes. All these characteristics can be considered as sources of heterogeneity of a WSN. Heterogeneity conditions may evolve during time and space, therefore, the design of a heterogeneous sensor networks requires adaptive mechanisms able to react to different characteristics, which is difficult to achieve. The goal of the thesis is to investigate the problems related to heterogeneity of sources in WSNs to design adaptive MAC methods that are able to take into account heterogeneity variations and are energy-efficient. We focus on two sources of heterogeneity. First, we study the problem of multiple traffic sources with different characteristics and constraints. Providing differentiated Quality of Service (QoS) such as low latency and high delivery ratio in large and multi-hops networks is a challenge due to limited energy resources of nodes. To solve this problem we propose an adaptive MAC protocol based on the asynchronous preamble sampling (PS) approach, a simple energy saving MAC technique, coupled with the idea of using a rendezvous time for data transmission. The proposed protocol (Low-Latency MAC, LA-MAC), is able to ensure efficient message forwarding throughout a multi-hop network thanks to the transmission of bursts. When messages need to be forwarded, each receiver behaves like coordinator to organize efficient transmission of contending senders. The innovation of the proposed protocol comes from combining enriched PS preambles to locally organize data transmission in a collision limited way. Extensive numerical simulations show that LA-MAC outperforms other state-of-the- art protocols in terms of latency, delivery ratio, and energy consumption. The precise evaluation of the energy consumption in large wireless sensor networks that use preamble sampling MAC is difficult. In this thesis, we propose an analytic model for energy evaluation of PS that depends on the instantaneous traffic load of localized regions so that it is independent of the network traffic patterns that can also be heterogeneous. Second, we study dynamic WSNs with density of nodes that varies across space and time. Such networks are characterized by high variability in terms of node densities. Rapid density variation may affect the network state effecting the collision probability and energy consumption of devices. We address the case of dynamic wireless sensor networks in which nodes and/or radio links may appear and disappear over time due to battery exhaustion, node mobility, or network management operations. With the work presented in this thesis we show that it is possible to provide QoS support in dynamic networks using an adaptive Density Aware MAC (DA-MAC) method. The proposed protocol offers a configurable channel sensing phase during which nodes request transmission opportunity in a way that avoids collisions. With DA-MAC, nodes periodically adapt their local protocol parameters to access the channel without collisions depending on local density state. The efficiency of the proposed protocol with respect to other state-of-the-art protocols is shown with extensive numerical simulations.Ce mémoire de thèse s'intéresse aux réseaux hétérogènes de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks - WSNs) constitués par une multitude de dispositifs de détection qui coexistent malgré leurs caractéristiques différentes. Contrairement aux réseaux homogènes de capteurs, chaque capteur d'un réseau hétérogène est capable de détecter et mesurer différents phénomènes physiques (température, pression, humidité) et générer ainsi un trafic avec des caractéristiques spécifiques, différentes d'un capteur à l'autre. En effet, selon l'application visée, le déploiement initial des nœuds peut être aléatoire, résultant en une répartition non-homogène des nœuds dans l'environnement. Autres facteurs comme l'extinction d'un nœud suite à l'épuisement de sa batterie ou à une faute générique peuvent impacter l'hétérogénéité de la répartition des nœuds. Tous ces phénomènes peuvent être perçus comme une source supplémentaire d'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil. Puisque les facteurs d'hétérogénéité peuvent évoluer tant au cours du temps que dans l'espace, il est indispensable de concevoir des mécanismes adaptatifs pour les réseaux hétérogènes de capteurs afin de réagir et de s'adapter à la dynamique du réseau. De tels mécanismes adaptatifs sont toutefois difficiles à mettre en place. L'objectif majeur de cette thèse est d'étudier les problèmes liés à l'hétérogénéité dans les réseaux de capteurs sans fil afin de concevoir des méthodes de contrôle de l'accès au canal (Medium Access Control - MAC) qui s'adaptent à la dynamique de l'hétérogénéité tout en étant économe d'un point de vue énergétique. Deux sources d'hétérogénéité sont envisagées. Dans un premier temps, nous considérons les problématiques liées aux sources dans trafics multiples chacune dotée de caractéristiques et contraintes spécifiques. Pour pallier ce problème, un protocole MAC adaptatif basé sur une approche asynchrone est proposé ; il consiste en une méthode MAC de préservation de l'énergie, couplée à l'utilisation d'un instant de rendez-vous pour la transmission des données. Le protocole proposé, LA-MAC pour Low-Latency MAC, permet de garantir de façon efficace le transport de messages au travers d'un réseau multi-sauts grâce à la transmission d'agrégats de données (bursts). De vastes campagnes de simulations numériques corroborent la supériorité de LA-MAC en termes de latence, de taux de paquets correctement délivrés et de consommation énergétique par rapport à d'autres protocoles présentés dans l'état de l'art. Dans un second temps, nous étudions des réseaux dynamiques de capteurs sans fil, dont la densité de nœuds varie en temps et en espace. Cette densité des nœuds dans le réseau peut se définir comme étant le nombre de dispositifs avec des données à émettre par mètre carré. En effet, de brusques augmentations de la densité résultent en un accroissement du taux de paquets perdus en raison d'une hausse de la probabilité de collision des trames. En outre, une baisse de la densité des nœuds peut causer un gaspillage énergétique dû à une écoute oisive. Dans ce mémoire, nous traitons des réseaux dynamiques de capteurs sans fils dans lesquels les nœuds et les liens radio entre ces nœuds peuvent apparaître ou disparaître au cours du temps en raison de l'épuisement de leurs batterie, ou de toute autre opération d'administration du réseau, comme par exemple le déploiement de nœuds additionnels. Le travail présenté démontre qu'il est possible de fournir un support à la qualité de service (QoS) dans les réseaux dynamiques grâce à une méthode MAC adaptative et consciente de la densité, baptisée DA-MAC pour Density Aware MAC. Avec DA-MAC, les nœuds s'appuient sur la valeur de la densité locale et adaptent périodiquement les paramètres locaux qui régissent le protocole afin d'accéder au canal sans collision. L'efficacité du protocole proposé est présentée en comparaison d'autres protocoles de l'état de l'art dans de vastes campagnes de simulations numériques