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1 Ad Hoc and Sensor Networks: Opportunities and
Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Part I Layered Communication Approaches
2 PhysicalLayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Communication Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Wired Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Wireless Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Communication Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Point-to-Point Communication Technologies . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Broadcast Communication Technologies . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Physical Layer Optimization Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Transmission Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Processing Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.3 Sensing Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.5 Transmission Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.6 Modulation Code and Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Data Link Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.1 Protocol Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Channel Separation and Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Single Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2 Multiple Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.3 Channel Separation and Access Summary . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Transmission Initiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Sender-Initiated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2 Receiver-Initiated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3 Transmission Initiation Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1 Single Hop Flat Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.2 Multiple Hop Flat Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.3 Clustered Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.4 Centralized Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.5 Topology Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5.1 Transmit Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5.2 Sleep Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.3 Battery Level Awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.4 Reduced Control Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.5 Savings for Particular Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.6 Increased Control Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.7 Power Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6 Traffic Load and Scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.1 Highly Loaded Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.2 Dense Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6.3 Voice and Real-Time Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6.4 Unattended Long-Term Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6.5 More Selective Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6.6 Traffic Load and Scalability Summary. . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.7 Logical Link Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.8 Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1 Route State Dissemination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 Proactive Routing Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.2 Reactive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.3 Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Single Hop and Centralized Topologies . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.2 Multiple Hop Flat Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.3 Clustered Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.4 Multilevel Hierarchical Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Multipath Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Power-awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Geographical Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6 Quality-of-Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 Transport and Middleware Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1 Transport Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1.1 TCP and UDP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1.2 Ad Hoc Network Transport Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1.3 Sensor Network Transport Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 Middleware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.1 Middleware for Ad Hoc Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.2 Middleware for Sensor Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 Ad Hoc Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 Ad Hoc Network Application Classes . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.2 Application Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Sensor Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.1 Data Dissemination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.2 Application Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Part II Cross-Layer Approaches
7 Cross-Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.1 Cross-Layer Design: A Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2 Cross-Layer Design for Traditional Networks . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3 Why Cross-Layer Design for Ad Hoc and Sensor Networks? . . . 92
7.3.1 An Analogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.3.2 Motivating Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3.3 Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4 Cross-Layer Design Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.1 Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.2 Richer Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.4.3 Flexible and Tunable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8 Cross-Layer Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1 Ad Hoc Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.1.1 MobileMan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.1.2 CrossTalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2 Sensor Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2.1 Sensor Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.2 TinyCubus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.2.3 Lu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 Ad Hoc and Sensor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.3.1 Jurdak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9 Applied Cross-Layer Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9.1 Design Coupling Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
9.1.1 Girici and Ephremides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
9.1.2 Cruz and Santhanam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.1.3 ElBatt and Ephremides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
9.1.4 Kozat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
9.1.5 Lu and Krishnamachari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.1.6 Madan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9.1.7 Cui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.1.8 Wang and Kar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.1.9 Merz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.2 Information Sharing Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2.1 Sichitiu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.2.2 Chen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
9.2.3 Sensor Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
9.2.4 Jurdak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.3 Global Performance Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.3.1 Maximize Network Lifetime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.3.2 Energy Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.3.3 Maximize Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.3.4 Minimize Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3.5 Promote Fairness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3.6 Data Accessibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.3.7 Efficiency and Generality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.4 Target Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.4.1 Ad Hoc Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.4.2 Sensor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.5 Input Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.5.1 Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.5.2 Middleware Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.5.3 Transport Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.5.4 Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.5.5 Data Link Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.5.6 Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.6 Configuration Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.6.1 Middleware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.6.2 Transport Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.6.3 Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.6.4 Data Link Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.6.5 Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.7 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.7.1 Unspecified . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.7.2 Centralized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.7.3 Distributed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Part III Case Studies
10 Optimization of an RF Sensor Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.2.1 Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.2.2 Energy Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.3 Adaptive Low Power Listening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10.3.1 Adaptive Low Power Listening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10.3.2 Node Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.3.3 State Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
10.3.4 Cost Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.3.5 Routing Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.4 Qualitative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.4.1 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.4.2 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.4.3 Duty Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.4.4 Role . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
10.5 Deployment Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
10.5.1 Time-Driven Sensor Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.5.2 Event-Driven Sensor Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
11 UWB Ad Hoc Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
11.2 UWB Network Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
11.2.1 UWB Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
11.2.2 UWB Traffic Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
11.3 U-MAC Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
11.3.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
11.3.2 Protocol Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.3.3 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11.3.4 Hello Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11.3.5 Rate and Power Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
11.3.6 MSI Margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
11.4 Simulation and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
11.4.1 Simulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
11.4.2 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.5 Discussion and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
12 Acoustic Underwater Sensor Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.2 Related . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
12.3 Network Battery Life Estimation Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
12.3.1 Network Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
12.3.2 Underwater Acoustics Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.3.3 Data Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
12.3.4 Network Lifetime and Power Consumption . . . . . . . . . . . 227
12.4 Topology-Dependent Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
12.4.1 Required Modifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
12.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
12.5.1 Tier-Independent Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.5.2 Tier-Dependent Assignments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
12.5.3 Grid Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
12.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12.6.1 Maximum Range Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12.6.2 Method Tradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12.6.3 Grid Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
12.6.4 Self-Recharging Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
12.6.5 Method Applicability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Concluding Remarks and Future Directions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Extended Cost Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 |
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