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Design of a Self-Organizing MAC Protocol for Dynamic Multi-Hop Topologies / Entwicklung eines selbst-organisierenden MAC Protokolls für dynamische Mulit-Hop Topologien

Biologically inspired self-organization methods can help to manage the access control to the shared communication medium of Wireless Sensor Networks. One lightweight approach is the primitive of desynchronization, which relies on the periodic transmission of short control messages – similar to the periodical pulses of oscillators. This primitive of desynchronization has already been successfully implemented as MAC protocol for single-hop topologies. Moreover, there are also some concepts of such a protocol formulti-hop topologies available. However, the existing implementations may handle just a certain class of multi-hop topologies or are not robust against topology dynamics. In addition to the sophisticated access control of the sensor nodes of a Wireless Sensor Network in arbitrary multi-hop topologies, the communication protocol has to be lightweight, applicable, and scalable. These characteristics are of particular interest for distributed and randomly deployed networks (e.g., by dropping nodes off an airplane).
In this work we present the development of a self-organizing MAC protocol for dynamic multi-hop topologies. This implies the evaluation of related work, the conception of our new communication protocol based on the primitive of desynchronization as well as its implementation for sensor nodes. As a matter of course, we also analyze our realization with
regard to our specific requirements. This analysis is based on several (simulative as well as real-world) scenarios. Since we are mainly interested in the convergence behavior of our
protocol, we do not focus on the "classical" network issues, like routing behavior or data rate, within this work. Nevertheless, for this purpose we make use of several real-world testbeds, but also of our self-developed simulation framework.
According to the results of our evaluation phase, our self-organizing MAC protocol for WSNs, which is based on the primitive of desynchronization, meets all our demands. In fact, our communication protocol operates in arbitrary multi-hop topologies and copes well with topology dynamics. In this regard, our protocol is the first and only MAC protocol to the best of our knowledge. Moreover, due to its periodic transmission scheme, it may be an appropriate starting base for additional network services, like time synchronization or routing. / Biologisch inspirierte, selbst-organisierende Methoden können dabei helfen, die Zugriffskontrolle drahtloser Sensornetze auf das gemeinsame Kommunikationsmedium zu regeln.
Ein leichtgewichtiger Ansatz ist das Primitiv der Desynchronisation, das auf einer periodischen Übertragung kurzer Kontrollnachrichten beruht – ähnlich den periodischen Impulsen eines Oszillators. Dieses Primitiv der Desynchronisation wurde bereits erfolgreich als MAC Protokoll für Single-Hop Topologien implementiert. Außerdem existieren auch einige Multi-Hop Konzepte dieser Protokolle. Allerdings können die verfügbaren Implementierungen nur eine bestimmte Klasse von Multi-Hop Topologien bedienen oder sie sind nicht robust genug
gegenüber Veränderungen der Netzwerktopologie. Zusätzlich zu dieser ausgeklügelten Zugriffskontrolle der Sensorknoten eines drahtlosen Sensornetzes in beliebigen Multi-Hop
Topologien muss das Kommunikationsprotokoll leichtgewichtig, effizient anwendbar und
skalierbar sein. Diese Eigenschaften sind insbesondere für verteilte und zufällig (z.B. durch den Abwurf von Sensorknoten aus einem Flugzeug) aufgebaute Netzwerke von Interesse.
In dieser Arbeit präsentieren wir die Entwicklung eines selbst-organisierenden MAC Protokolls für dynamische Multi-Hop Topologien. Dies beinhaltet die Auswertung damit verbundener Arbeiten, der Konzeption unseres neuen, auf dem Primitiv der Desynchronisation
basierenden Kommunikationsprotokolls sowie dessen Umsetzung für Sensorknoten. Selbstverständlich untersuchen wir unsere Realisierung hinsichtlich unserer spezifischen Anforderungen. Diese Analyse basiert auf verschiedenen (simulativen, wie auch aus echter Hardware bestehenden) Szenarien. Da wir vornehmlich am Konvergenzverhalten unseres Protokolls interessiert sind, legen wir unser Augenmerk in dieser Arbeit nicht auf die „klassischen“ Netzwerkthemen, wie Routing-Verhalten oder Datenrate. Nichtsdestotrotz nutzen wir hierfür verschiedene realitätsnahe Testumgebungen, aber auch unsere selbstentwickelte Simulationsumgebung.
Gemäß den Ergebnissen unserer Evaluationsphase erfüllt unser auf dem Primitiv der Desynchronisation basierendes, selbst-organisierendes MAC Protokoll für drahtlose Sensornetze all unsere Anforderungen. Tatsächlich funktioniert unser Kommunikationsprotokoll
in beliebigen Multi-Hop Topologien und kann zudem gut mit Veränderungen der Topologie umgehen. In dieser Hinsicht ist – nach unserem besten Wissen – unser Protokoll das erste
und einzige MAC Protokoll. Außerdem bietet sich unser Kommunikationsprotokoll aufgrund seines periodischen Übertragungsschemas als geeigneter Ausgangspunkt für weitere Netzwerkdienste, wie Zeitsynchronisation oder Routing, an.

Identiferoai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15878
Date January 2018
CreatorsMühlberger, Clemens
Source SetsUniversity of Würzburg
LanguageEnglish
Detected LanguageEnglish
Typedoctoralthesis, doc-type:doctoralThesis
Formatapplication/pdf
Rightshttps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess

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