Energy-aware Gossip Protocol for Wireless Sensor Networks

Abstract

In Wireless Sensor Networks (WSNs), typically composed of nodes with resource constraints, leveraging efficient processes is crucial to enhance the network longevity and consequently the sustainability in ultra-dense and heterogeneous environments, such as smart cities. Epidemic algorithms are usually efficient in delivering packets to a sink or to all it’s peers but have poor energy efficiency due to the amount of packet redundancy. Directional algorithms, such as Minimum Cost Forward Algorithm (MCFA) or Directed Diffusion, yield high energy efficiency but fail to handle mobile environments, and have poor network coverage. This work proposes a new epidemic algorithm that uses the current energy state of the network to create a topology that is cyclically updated, fault tolerant, whilst being able to handle the challenges of a static or mobile heterogeneous network. Depending on the application, tuning in the protocol settings can be made to prioritise desired characteristics. The proposed protocol has a small computational footprint and the required memory is proportional not to the size of the network, but to the number of neighbours of a node, enabling high scalability. The proposed protocol was tested, using a ESP8266 as an energy model reference, in a simulated environment with ad-hoc wireless nodes. It was implemented at the application level with UDP sockets, and resulted in a highly energy efficient protocol, capable of leveraging extended network longevity with different static or mobile topologies, with results comparable to a static directional algorithm in delivery efficiency.

Em Redes de Sensores sem Fios (RSF), tipicamente compostas por nós com recursos lim-itados, alavancar processos eficientes é crucial para aumentar o tempo de vida da rede e consequentemente a sustentabilidade em ambientes heterogéneos e ultra densos, como cidades inteligentes por exemplo. Algoritmos epidêmicos são geralmente eficientes em en-tregar pacotes para um sink ou para todos os nós da rede, no entanto têm baixa eficiência energética devido a alta taxa de duplicação de pacotes. Algoritmos direcionais, como o MCFA ou de Difusão Direta, rendem alta eficiência energética mas não conseguem lidar com ambientes móveis, e alcançam baixa cobertura da rede. Este trabalho propõe um novo protocolo epidêmico que faz uso do estado energético atual da rede para criar uma topologia que por sua vez atualizada ciclicamente, tolerante a falhas, ao mesmo tempo que é capaz de lidar com os desafios de uma rede heterogênea estática ou móvel. A depender da aplicação, ajustes podem ser feitos às configurações do protocolo para que o mesmo priorize determinadas características. O protocolo proposto tem um pequeno impacto computacional e a memória requerida é proporcional somente à quantidade de vizinhos do nó, não ao tamanho da rede inteira, permitindo assim alta escalabilidade. O algoritmo proposto foi testado fazendo uso do modelo energético de uma ESP8266, em um ambiente simulado com uma rede sem fios ad-hoc. Foi implementado à nível aplicacional com sockets UDP, e resultou em um protocol energeticamente eficiente, capaz de disponibilizar alta longevidade da rede mesmo com diferentes topologias estáticas ou móveis com resultados comparáveis à um protocolo direcional em termos de eficiência na entrega de pacotes.