Título:
Neighbor discovery for wireless sensor networks with reconfigurable directional antennas
Otros títulos:
Coordinador:
Director:
Compilador:
Autor:
Gammarano, Nicolás
Tutor:
Steinfeld, Leonardo
Tipo de documento:
Tesis de maestría
Editor:
Palabras clave:
Wireless Sensor Networks
Neighbor Discovery
Reconfigurable Directional Antennas
Collision Detection
Dynamic Contention Resolution
Wireless Networks
Directional Antennas
Neighbor Discovery
Reconfigurable Directional Antennas
Collision Detection
Dynamic Contention Resolution
Wireless Networks
Directional Antennas
Descriptores:
Año de publicación:
2024
Contenido:
Resumen:
The advent of low-cost, small, low-power devices with wireless communication capabilities has led to the rise of Wireless Sensor Networks (WSNs) and the emergence of numerous new applications. Reconfigurable Directional Antennas (RDAs) can dynamically adjust their radiation pattern, offering potential benefits for WSNs, including reduced power consumption, increased spatial reuse, and increased network capacity. However, exploiting these benefits requires adapting network protocols, particularly neighbor discovery, i.e., the discovery of the one-hop communication links of each node in the network. This thesis focuses on neighbor discovery algorithms for WSNs with RDAs. First, the state-of-the-art Sectored-Antenna Neighbor Discovery (SAND) protocol is studied and implemented, and an enhanced version called Quick SAND (Q-SAND) is proposed. Q-SAND preserves the neighbor discovery capability of SAND while reducing its discovery time. Simulation results show that Q-SAND discovers the same best sector-to-sector (S2S) links as SAND while reducing the discovery time by approximately 4.1 times for the evaluated six-sector antenna configuration. Then, a new Dynamic Asynchronous Neighbor Discovery (DANDi) protocol is proposed. DANDi combines the time-serialization approach of SAND with receiver-side collision detection, allowing the number of contention slots to be dynamically adapted to the network conditions without requiring prior knowledge of the network topology. DANDi was implemented using the Contiki operating system and evaluated through simulations and experiments with real Tmote Sky nodes equipped with six-sector antennas. The collision detection mechanism achieved a false-positive rate of 0 % and a worst-case false-negative rate of 0.54 % in the reported experiments. Simulation results show that DANDi discovers all reliable S2S links while reducing the neighbor discovery time by 19 % to 78 % compared with SAND, depending on the network topology. Experiments with real nodes in an office environment further demonstrate the dynamic behavior of DANDi, which automatically spends more time in denser areas and less time in sparser areas. These results show that receiver-side collision detection can significantly reduce neighbor discovery time while avoiding the need for topology-dependent protocol parameters.
La aparición de dispositivos de bajo costo, tamaño reducido y bajo consumo energético con capacidades de comunicación inalámbrica ha propiciado el auge de las Redes de Sensores Inalámbricos (WSNs, por sus siglas en inglés) y el surgimiento de numerosas aplicaciones nuevas. Las Antenas Direccionales Reconfigurables (RDAs, por sus siglas en inglés) pueden ajustar dinámicamente su patrón de radiación, ofreciendo ventajas potenciales para las WSNs, tales como la reducción del consumo energético, una mayor reutilización espacial y un aumento de la capacidad de la red. Sin embargo, aprovechar estas ventajas requiere adaptar los protocolos de red, particularmente el descubrimiento de vecinos, es decir, la identificación de los enlaces de comunicación a un salto para cada nodo de la red. Esta tesis se centra en algoritmos de descubrimiento de vecinos para WSNs equipadas con RDAs. En primer lugar, se estudia e implementa el protocolo SAND (Sectored-Antenna Neighbor Discovery), referente actual en el estado del arte, y se propone una versión mejorada denominada Q-SAND (Quick SAND). Q-SAND mantiene la capacidad de descubrimiento de vecinos de SAND al tiempo que reduce el tiempo necesario para dicho proceso. Los resultados de las simulaciones muestran que Q-SAND identi ca los mismos enlaces óptimos entre sectores (S2S) que SAND, pero reduce el tiempo de descubrimiento aproximadamente 4.1 veces para la con figuración de antena de seis sectores evaluada. A continuación, se propone un nuevo protocolo denominado DANDi (Dynamic Asynchronous Neighbor Discovery). DANDi combina el enfoque de serialización temporal de SAND con la detección de colisiones en el lado del receptor, lo que permite adaptar dinámicamente el número de slots de contención a las condiciones de la red sin necesidad de conocer previamente la topología de la misma. DANDi se implementó utilizando el sistema operativo Contiki y se evaluó mediante simulaciones y experimentos con nodos reales Tmote Sky equipados con antenas de seis sectores. El mecanismo de detección de colisiones logró una tasa de falsos positivos del 0% y una tasa de falsos negativos del 0:54% en el peor de los casos durante los experimentos realizados. Los resultados de las simulaciones indican que DANDi descubre todos los enlaces S2S fiables y reduce el tiempo de descubrimiento de vecinos entre un 19% y un 78% en comparación con SAND, dependiendo de la topología de la red. Los experimentos con nodos reales en un entorno de oficina demuestran además el comportamiento dinámico de DANDi, que dedica automáticamente más tiempo a las zonas de mayor densidad y menos tiempo a las zonas de menor densidad. Estos resultados ponen de manifiesto que la detección de colisiones en el lado del receptor puede reducir significativamente el tiempo de descubrimiento de vecinos, evitando al mismo tiempo la necesidad de utilizar parámetros de protocolo dependientes de la topología.
La aparición de dispositivos de bajo costo, tamaño reducido y bajo consumo energético con capacidades de comunicación inalámbrica ha propiciado el auge de las Redes de Sensores Inalámbricos (WSNs, por sus siglas en inglés) y el surgimiento de numerosas aplicaciones nuevas. Las Antenas Direccionales Reconfigurables (RDAs, por sus siglas en inglés) pueden ajustar dinámicamente su patrón de radiación, ofreciendo ventajas potenciales para las WSNs, tales como la reducción del consumo energético, una mayor reutilización espacial y un aumento de la capacidad de la red. Sin embargo, aprovechar estas ventajas requiere adaptar los protocolos de red, particularmente el descubrimiento de vecinos, es decir, la identificación de los enlaces de comunicación a un salto para cada nodo de la red. Esta tesis se centra en algoritmos de descubrimiento de vecinos para WSNs equipadas con RDAs. En primer lugar, se estudia e implementa el protocolo SAND (Sectored-Antenna Neighbor Discovery), referente actual en el estado del arte, y se propone una versión mejorada denominada Q-SAND (Quick SAND). Q-SAND mantiene la capacidad de descubrimiento de vecinos de SAND al tiempo que reduce el tiempo necesario para dicho proceso. Los resultados de las simulaciones muestran que Q-SAND identi ca los mismos enlaces óptimos entre sectores (S2S) que SAND, pero reduce el tiempo de descubrimiento aproximadamente 4.1 veces para la con figuración de antena de seis sectores evaluada. A continuación, se propone un nuevo protocolo denominado DANDi (Dynamic Asynchronous Neighbor Discovery). DANDi combina el enfoque de serialización temporal de SAND con la detección de colisiones en el lado del receptor, lo que permite adaptar dinámicamente el número de slots de contención a las condiciones de la red sin necesidad de conocer previamente la topología de la misma. DANDi se implementó utilizando el sistema operativo Contiki y se evaluó mediante simulaciones y experimentos con nodos reales Tmote Sky equipados con antenas de seis sectores. El mecanismo de detección de colisiones logró una tasa de falsos positivos del 0% y una tasa de falsos negativos del 0:54% en el peor de los casos durante los experimentos realizados. Los resultados de las simulaciones indican que DANDi descubre todos los enlaces S2S fiables y reduce el tiempo de descubrimiento de vecinos entre un 19% y un 78% en comparación con SAND, dependiendo de la topología de la red. Los experimentos con nodos reales en un entorno de oficina demuestran además el comportamiento dinámico de DANDi, que dedica automáticamente más tiempo a las zonas de mayor densidad y menos tiempo a las zonas de menor densidad. Estos resultados ponen de manifiesto que la detección de colisiones en el lado del receptor puede reducir significativamente el tiempo de descubrimiento de vecinos, evitando al mismo tiempo la necesidad de utilizar parámetros de protocolo dependientes de la topología.
Descripción:
Editorial:
Udelar.FI.
EN:
Financiadores:
Citación:
Gammarano, N. Neighbor discovery for wireless sensor networks with reconfigurable directional antennas [en línea]. Tesis de maestría. Montevideo : Udelar. FI. IIE, 2024.
Citación:
metadata.cc.license.name:
Documento del Gobiberno:
URI:
https://hdl.handle.net/20.500.12008/56775
ISBN:
e-ISBN:
ISSN:
1688-2806
ISMN:
Otros identificadores:
Título Obtenido:
Facultad de Ingeniería::Títulos de Posgrado::Magíster en Ingeniería Eléctrica
Facultad o Servicio que otorga el Título:
Universidad de la República (Uruguay). Facultad de Ingeniería
Licencia:
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
Cobertura geográfica:
Cobertura temporal:
metadata.dc.relation.IsVersionOf:
Clasificación:
Es versión de:
Colecciones:
| Ficheros | Descripción | Tamaño | Formato | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Gam24.pdf | Tesis de maestría | 1.08 MB | Adobe PDF |
Licencia Creative Commons:
Excepto donde se indique lo contrario, la licencia de este ítem se describe como Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International