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Título: Gen3: protocolo MAC adaptativo escalonado com multiplexação estatística
Título(s) alternativo(s): Gen3: adaptive scheduled MAC protocol with statistical multiplexing
Autor : Miranda Júnior, Gilson
Lattes: http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4259115T4
Primeiro orientador: Correia, Luiz Henrique Andrade
Primeiro membro da banca: Nogueira, José Marcos Silva
Segundo membro da banca: Macedo , Daniel Fernandes
Palavras-chave: Protocolo MAC
Multiplexação estatística
Statistical multiplexing
MAC protocol
Redes de sensores sem fio
Wireless sensor networks
Data da publicação: 12-Jun-2017
Agência(s) de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Referência: MIRANDA JÚNIOR, G. Gen3: protocolo MAC adaptativo escalonado com multiplexação estatística. 2017. 132 p. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2017.
Resumo: Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) têm sido objeto de estudo e desenvolvimento há mais de uma década. Com o desenvolvimento de dispositivos mais robustos e com mais recursos, as propostas para uso de RSSF passaram de aplicações simples, com alta tolerância a falhas, para aplicações de monitoramento e controle que requerem alta disponibilidade e confiabilidade. Os protocolos de controle de acesso ao meio (MAC - Medium Access Control) têm papel determinante para que essas redes operem de forma correta e eficiente. Os protocolos MAC podem ser classificados como baseados em contenção (CBP -Contention-Based Protocol) ou escalonados (TDMA - Time Division Multiple Access). Protocolos CBP apresentam baixa latência na entrega dos pacotes em relação aos protocolos TDMA em redes com baixo tráfego. Tráfego intenso ou alta densidade de nós, no entanto, prejudicam a operação de protocolos CBP, fazendo com que tenham operação imprevisível, com maiores perdas e latência mais alta que protocolos TDMA. Apesar de apresentarem comportamento mais estável que protocolos CBP quando submetidos a tráfego intenso, protocolos TDMA podem subutilizar o meio de transmissão em redes com baixo tráfego ou quando os nós apresentam geração de tráfego desbalanceada. Se em uma rede TDMA um nó gera poucos pacotes e outro gera muitos pacotes, o tempo de uso do meio se mantém igual para ambos, sendo subutilizado pelo primeiro nó e potencialmente insuficiente para o segundo nó. A utilização de multiplexação estatística em protocolos TDMA pode atenuar esse problema, por permitir o uso oportunístico de slots subutilizados. Outra questão a ser considerada é a mobilidade e adaptação da rede a diferentes condições. Em geral, protocolos TDMA mantêm informações sobre a rede que variam com a topologia e a movimentação de nós. Alguns protocolos definem parâmetros com base em situações esperadas da rede que podem limitar a operação dos nós. Este trabalho apresenta o Gen3, um protocolo TDMA generalista que organiza a rede logicamente como uma árvore. O protocolo é autoconfigurável e se adapta à quantidade de nós da rede enquanto mantém a operação dos nós já associados. O protocolo emprega múltiplos canais para aumentar a quantidade de comunicações simultâneas, visando o incremento da vazão, da taxa de entrega e a redução da latência de entrega dos pacotes. Além disso, um mecanismo de multiplexação estatística permite que o tempo ocioso de um slot pertencente a um nó seja aproveitado por outro nó que tenha demanda pelo meio de transmissão. O Gen3 foi avaliado por meio de exaustivas simulações utilizando o simulador OMNeT++ e o framework INET. Os resultados obtidos mostram sua capacidade de oferecer altas taxas de entrega e vazão, mesmo quando submetido a tráfego intenso, superando o protocolo utilizado para comparação. A adaptabilidade do protocolo pôde ser avaliada pela sua correta configuração em diferentes topologias e pelo impacto reduzido da mobilidade dos nós nas métricas de transmissão.
Abstract: Wireless Sensor Networks (WSNs) have been subject of development and study for more than a decade. With the development of more robust devices that integrate more resources, proposals for using RSSF have passed from applications with high fault tolerance to control and monitoring applications that require high availability and reliability. Medium Access Control (MAC) protocols play a key role in these networks, enabling them to operate reliably and efficiently. MAC protocols can be classified as Contention-Based Protocols (CBP) or scheduled protocols (TDMA - Time Division Multiple Access). CBP protocols present low delivery latency compared to TDMA protocols in low traffic conditions. Under high traffic or high node densities, however, CPB protocols present unpredictable operation, with higher packet losses and increased latency compared to TDMA protocols. Although they present a more stable behavior over CBP protocols when submitted to heavy traffic, TDMA protocols may underutilize the medium in low traffic conditions or when nodes present unbalanced traffic generation. If in a TDMA network a node generates few packets and another one generates a high amount of packets, the time allocated to each node remains equal, being underutilized by the first node and potentially insufficient for the second. The use of statistical multiplexing in TDMA protocols can attenuate this problem by allowing the opportunistic usage of underutilized slots. Another issue to consider is the mobility and network adaptation to different conditions. In general, TDMA protocols maintain information about the network that vary with topology and node movement. Some protocols define parameters based on expected network characteristics, which may eventualy limit nodes operation or even their association to the network. This work presents Gen3, a generalist TDMA MAC protocol that organizes the network logically as a tree. The protocol is autoconfigurable and adaptive to the number of nodes in the network while maintaining the operation of already associated nodes. By using multiple channels, it allows collision-free concurrent communcations to increase throughput, delivery rate, and reduce packet latency. In addition, a statistical multiplexing mechanism allows the opportunistic use of an underutilized slot by nodes that have higher demand for medium access. Gen3 was evaluated through exhaustive simulations using OMNeT++ simulator and INET framework. Results show its capacity to offer high delivery rates and high throughput, even when submitted to intense traffic, achieving higher performance than the protocol used for comparison. Protocol’s adaptability could be evaluated by its correct configuration in different topologies and by the reduced impact of node mobility in packet transmission metrics.
URI: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/13227
Publicador: Universidade Federal de Lavras
Idioma: por
Aparece nas coleções:DCC - Ciência da Computação - Mestrado (Dissertações)

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