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1 CAIRN - Energy Efficient Computing ArchItectures with Embedded Reconfigurable Resources Inria Rennes – Bretagne Atlantique , IRISA-D3 - ARCHITECTURE

Abstract : More and more nomadic devices embed both control and processing capabilities and one or more radio transceivers. These items include mainly wireless sensor networks WSNs or more generally the domain of wireless communicating objects. Their common point is that they must operate as long as possible without replacing or recharging batteries. Therefore, energy consumption is the main constraint to be considered in the development of these devices. Research on energy optimization are numerous, and are applied at all levels of design. In this thesis, we propose algorithmic-level optimization techniques for energy reduction. In this context, fi rst we proposed a pragmatic and precise hybrid energy model for WSN. This model takes into account di fferent scenarios that occur during the communication and evaluates their energy consumption based on the software as well as the hardware components. The model presented is a combination of analytical approach and real time measurements. The validation of the model shows that the relative error is between 1 to 8 percent. In the second part of the thesis we focused on the medium access control MAC layer. MAC layer plays a pivotal role for energy management in WSN because the radio transceiver most energy consuming component activity is being controlled by MAC layer. Moreover, idle listening is the dominant energy waste in most of the MAC protocols. In this regard, we propose a novel energy efficient traffic-aware dynamic MAC protocol TAD-MAC. The protocol relies on dynamic adaptation of wake-up interval based on a traffi c estimation which helps to e fficiently keep the track of varying traffic. A heuristic-based approach is used to model the system by characterizing each parameter of the adaptive algorithm that is used for dynamic adaptation of wake-up interval. A detailed analysis on the convergence and performance metric for reaching a steady state is presented and evaluated. Furthermore, TAD-MAC is applied in the context of wireless body area sensor networks for fi xed and variable tra ffic rates. TAD-MAC outperforms other low power MAC protocols in terms of latency as well as energy consumption and consequently increases the lifetime by 3 to 6 times in comparison with other low power MAC protocols. In the final part of the thesis an adaptive transmit power optimization technique is applied under dynamic channel variations to reduce the energy per successfully transmitted bit at the physical layer. The output power is adaptively tuned to the best power level on link-by-link basis. Each node locally adapts the power according to the signal-to-noise ratio SNR variations for all the neighbor nodes. The optimization is achieved under a slow varying channel at the reception of a single packet. Different radio transceivers power profiles are used to show the gain over non-adaptive fixed transmit power. It is found that by dynamically adapting the transmit power the energy consumption can be reduced by a factor of 2.

Résumé : De plus en plus d-objets électroniques nomades incorporent à la fois des capacités de traitement, de contrôle et un ou plusieurs émetteur-récepteur radios. Les objets, lorsqu-ils communiquent entre eux, forment des réseaux de capteurs sans l WSN. Leur point commun est qu-ils doivent fonctionner aussi longtemps que possible sans avoir à remplacer ou recharger les batteries. Par conséquent, la consommation d-énergie est la principale contrainte à prendre en considération dans l-élaboration de ces articles. Les recherches sur l-optimisation de l-énergie sont nombreuses, et sont appliquées à tous les niveaux de la conception. Dans cette thèse, nous proposons des techniques d-optimisation au niveau algorithmique visant une réduction de l-énergie consommée. Dans ce contexte, tout d-abord, nous avons proposé un modèle énergétique hybride pragmatique et précis pour les WSN. Ce modèle prend en compte les différents scénarios qui se produisent pendant la communication et évalue leur consommation d-énergie en distinguant composantes logicielles et matérielles. Le modèle présenté est une combinaison d-approche analytique et de mesures en temps réel. La validation du modèle montre que l-erreur relative est de 1 à 8 pour cent. Dans la deuxième partie de la thèse nous nous sommes concentrés sur le contrôle d-accès au medium MAC. La couche MAC joue un rôle essentiel dans la gestion de l-énergie dans les réseaux de capteurs, car l-activité de l-émetteur-récepteur radio composante la plus gourmande en énergie est contrôlée par la couche MAC. Par ailleurs, l-état d-écoute - idle - se trouve être l-état dans lequel s-opère un gaspillage énorme d-énergie dans la plupart des protocoles MAC. À ce sujet, nous proposons un nouveau protocole MAC dynamique TAD-MAC efficace en énergie avec une connaissance à priori du trafic courant. Le protocole repose sur l-adaptation dynamique des intervalles de réveil basée sur une estimation du trafic. Une approche heuristique est utilisée pour modéliser le système en caractérisant chacun des paramètres de l-algorithme adaptatif. Une analyse détaillée de la convergence et des métriques de performance pour atteindre un état d-équilibre est présentée et évaluée. En outre, TAD-MAC est appliqué dans le contexte des réseaux corporels de capteurs sans fil pour des taux de trafics fixes et variables. TAD-MAC surpasse les autres protocoles MAC à faible consommation énergétique en termes de latence ainsi que de consommation d-énergie et donc permet d-augmenter la durée de vie de trois à six fois. Dans la dernière partie de la thèse une technique adaptative d-optimisation de la puissance d-émission est appliquée avec une variation dynamique des canaux de transmission afi n de réduire l-énergie par bit transmis avec succès au niveau de la couche physique. La puissance d-émission est réglée de manière adaptative sur un critère de type - link-to-link- . Chaque nœud adapte localement sa puissance en fonction des variations du rapport signal-sur-bruit SNR pour tous les nœuds voisins. Différents profils d-émetteurs-récepteurs radio sont utilisés pour montrer le gain par rapport à l-utilisation d-une puissance d-émission fixe. Il se trouve que par l-adaptation dynamique de la puissance d-émission, la consommation d-énergie peut être réduite d-un facteur 2.

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Keywords : Wireless Sensor Networks energy optimization consumption model MAC protocols adaptive algorithms varying traffic transmission power

Mots-clés : Réseaux de capteurs sans fil optimisation énergétique modèle de consommation protocoles MAC algorithmes adaptatifs trafic variable puissance d-émission





Author: Muhammad Mahtab Alam -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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