Energy-‐Efficient Low Power Listening in Noisy Environments

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Effec^ve energy efficient MAC approach in clean environments. ➢ BoX-‐MAC-‐2: Default MAC protocol of TinyOS. Low Power Listening. 4. Sender. Recipient.
Energy-­‐Efficient  Low  Power  Listening   in  Noisy  Environments Mo  Sha,  Gregory  Hackmann,  Chenyang  Lu   Cyber-­‐Physical  Systems  Laboratory   Department  of  Computer  Science  and  Engineering  

Wireless  Sensors  in  Noisy  Environments  

Source:  AT&T  Labs   2  

Noise  in  Residen:al  Environments   Spectrum  usage  of  2.4  GHz  band  in  six  apartments  and  Bryan  Hall.

3  

Low  Power  Listening     EffecLve  energy  efficient  MAC  approach  in  clean  environments     BoX-­‐MAC-­‐2:  Default  MAC  protocol  of  TinyOS   Packet   Sender  

Recipient  

CCA  

ACK   RX  

4  

False  Wakeup  Caused  by  Noise  

Sender   Noise  

CCA   Recipient  

RX   Time  out  

5  

False  Wakeup  Rates  in  Homes     Measurement  in  an  apartment      

Ideal:  duty  cycle  <  1%,  lifeLme  >  1  month.   Real:  duty  cycle  >  4%,  lifeLme  <  1  week.  

  This  is  a  wide  spread  problem!  

 

6  

Wakeup  Check   RSSI

Poll  CCA  pin  N  Lmes  

wakeup  threshold 0      1      1      1      1      1      1      0      0      0                               K  readings  ≥  wakeup  threshold  à  wakeup   Increase  wakeup  threshold RSSI wakeup  threshold 0      0      0      1      0      0      0      0      0      0     No  wakeup  

Idea:  Adapt  Wakeup  Threshold   RSSI

min  packet wakeup  threshold max  noise min  packet  RSS  >  wakeup  threshold  >  max  noise  

RSSI

max  noise min  packet

No  wakeup  threshold  will  work,  but  it  will  be  a  bad  link  anyway  

Impact  on  False  Wakeup  Rate False  wakeup  rate  under  interference  of  an  802.11n  router  

 

9  

AEDP:  Adap:ve  Energy  Detec:on  Protocol   ObjecLves   1.  2. 

Maintain  link  reliability  (ETX  threshold)     Reduce  false  wakeup  rate  (wakeup  rate  threshold)  

  Controlled  variables        

ETX:  recent  expected  transmission  count  in  a  sliding  window.   WR:  recent  wakeup  rate  in  the  sliding  window   WRL:  long-­‐term  average  wakeup  rate    bacery  life  

  Adapt  wakeup  threshold  T  online      

 

 

if  ETX  >  threshold    T=Tmin     if  ETX  ≤  threshold   •  WR    >  threshold    T=T+△T   •  WR    ≤  threshold  AND  WRL  >  threshold    no  change.   •  WR    ≤  threshold  AND  WRL  ≤  threshold    T=T-­‐△T   Reset  T  periodically  to  react  to  network  changes   10  

Cri:cal  Flaw  of  BoX-­‐MAC-­‐2  in  TinyOS  

 

Sender:  gap  between  transmissions  is  8ms     >>  Lme  needed  to  receive  a  (soh)  ACK  (≤2.4ms)   Receiver:  wakeup  check  lasts  8.8ms  (poll  CCA  pin  400  Lmes)     >>  Lme  needed  to  receive  an  enLre  packet  (>  Lme  needed  to  receive  a  (soh)  ACK  (≤2.4ms)   Receiver:  shorten  wakeup  check  from  8.8ms2.9ms  (poll  CCA  pin  115  Lmes)     <  Lme  it  takes  to  receive  an  enLre  packet  (

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