Wave: a Distributed Scheduling Algorithm for Convergecast in IEEE 802.15.4e Networks (Extended Version)
Wave : un Algorithme d'Ordonnancement Distribué pour la Collecte de Données dans les R\'eseaux IEEE 802.15.4e (Version Etendue)
Résumé
Wireless sensor networks (WSNs) play a major role in industrial environments for data gathering (convergecast).
Among the industrial requirements, we can name a few like 1) determinism and bounded convergecast latencies, 2) throughput and 3) robustness against interferences.
The classical IEEE 802.15.4 that has been designed for low power lossy networks (LLNs) partially meets these requirements. That is why the IEEE~802.15.4e MAC amendment
has been proposed recently. This amendment combines a slotted medium access with a channel hopping (i.e. Time Slotted Channel Hopping TSCH). The MAC layer orchestrates the medium accesses of nodes according to a given schedule. Nevertheless, this amendment does not specify how this schedule is computed. The purpose of this paper is to propose a distributed joint time slot and channel assignment, called Wave for data gathering in LLNs. This schedule targets minimized data convergecast delays by reducing the number of slots assigned to nodes. Moreover, Wave ensures the absence of conflicting transmissions in the schedule provided. In such a schedule, a node is awake only during its slots and the slots of its children in the convergecast routing graph. Thus, energy efficiency is ensured. In this paper, we describe in details the functioning of Wave, highlighting its features (e.g. support of heterogeneous traffic, support of a sink equipped with multiple interfaces) and properties in terms of worst case delays and buffer size. We discuss
its features with regard to a centralized scheduling algorithm like TMCP and a distributed one like DeTAS. Simulation results show the good performance of Wave compared to TMCP. Since in an industrial environment, several routing graphs can coexist, we study how Wave supports this coexistence.
Les réseaux de capteurs sans fil jouent un rôle majeur pour la collecte de données dans les environnements industriels.
Parmi les exigences industrielles visées, nous pouvons citer 1) le déterminisme et les latences de collecte bornées supérieurement, 2) le débit et 3) la robustesse vis-à-vis des interférences.
La norme IEEE 802.15.4 classique, qui a été conçue pour les réseaux avec pertes et contraintes énergétiques (ou Low power Lossy Networks, LLNs), ne répond que partiellement à ces exigences.
C'est pourquoi l'amendement IEEE~802.15.4e a été proposé récemment.
Cet amendement propose un mode d'utilisation TSCH (Time Slotted Channel Hopping) combinant l'accès au médium par slots temporels et le saut de fréquence.
La couche MAC orchestre les accès au médium des noeuds du réseau selon un ordonnancement donné.
Néanmoins, l'amendement ne spécifie pas comment cet ordonnancement est calculé.
Le propos de ce papier est d'offrir un algorithme distribué d'assignation conjointe de fr\équences et de slots temporels pour la collecte dans les LLNs, dénommé Wave.
Cet ordonnancement vise à minimiser le temps de collecte en r\éduisant le nombre de slots temporels assignés à l'ensemble des noeuds du réseau.
De plus, Wave assure l'absence de transmissions conflictelles dans l'ordonnancement fourni.
Dans un tel ordonnancement, un noeud est réveillé uniquement pendant ses slots de transmissions et ceux de ses enfants dans le graphe de routage de la collecte.
Ainsi, l'efficacité énergétique est assurée.
Dans ce papier, nous décrivons en détails le fonctionnement de Wave, mettant en exergue ses caractéristiques (support du trafic hétérogène, support d'un puits de données avec de multiples interfaces de communication) et ses propriétés en termee de d\élais et de la taille des buffers.
Nous discutons ses caract\éristiques en regard d'un algorithme d'ordonnancement centralisé tel que TMCP et d'un algorithme distribué tel que DeTAS.
Les résultats de simulations démontrent une meilleure performance de Wave par rapport à TMCP.
Enfin, puisque dans un environnement industriel plusieurs graphes de routage peuvent cohabiter, nous étudions comment Wave assure cette coexistence.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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