SERENA: an energy-efficient strategy to schedule nodes activity in wireless ad hoc and sensor networks

In wireless ad hoc and sensor networks, an analysis of the node energy consumption distribution shows that the largest part is due to the time spent in the idle state. This result is at the origin of SERENA, an algorithm to SchEdule RoutEr Nodes Activity. SERENA allows router nodes to sleep, while ensuring end-to-end communication in the wireless network. It is a localized and decentralized algorithm assigning time slots to nodes. Any node stays awake only during its slots and the slots assigned to its neighbors, it sleeps the remaining time. SERENA is based on distributed and localized two-hop coloring. The node’s color is then mapped in time slot. Thus, each node is ensured to get at least one time slot, it also gets additional time slots proportionally to its traffic rate. Such a solution adapts to varying traffic rates and supports late node arrivals. A performance evaluation allows us to compare SERENA coloring algorithm with existing ones such as DLF, both in terms of number of colors and complexity. Simulation results show that SERENA enables us to maximize network lifetime while increasing the number of user messages delivered. We quantify the slot reuse and evaluate the impact of the frame size on network performance. We then study how to dimension buffers at the router nodes. Finally, we show how SERENA improves the node energy consumption distribution and maximizes the energy efficiency of wireless ad hoc and sensor networks. Key-words: energy efficiency, node activity scheduling, network lifetime, sleeping node, spatial reuse, coloring algorithm, slot assignment, wireless ad hoc networks, sensor networks, energy consumption. in ria -0 01 96 09 4, v er si on 2 13 D ec 2 00 7 SERENA: une stratégie efficace en énergie pour ordonnancer l’activité des noeuds dans les réseaux sans fil ad hoc et les réseaux de capteurs Résumé : Dans les réseaux sans fil ad hoc et les réseaux de capteurs, une analyse de la répartition de la consommation énergétique des noeuds montre que la plus grande part d’énergie est consommée dans l’état oisif. Ce résultat est à l’origine de SERENA, un algorithme pour ordonnancer l’activité des noeuds. SERENA permet aux noeuds routeurs de dormir tout en assurant la connectivité du réseau. C’est un algorithme localisé et décentralisé s’appuyant sur un algorithme d’assignation de slots temporels aux noeuds du réseau. Un noeud quelconque ne reste éveillé que durant ses slots et les slots attribués à ses voisins à un saut; il dort le reste du temps. SERENA utilise un algorithme distribué et localisé de coloriage à deux sauts. Un slot est ensuite associé à la couleur du noeud. Ainsi, chaque noeud est assuré de disposer d’au moins un slot. Il dispose de slots supplémentaires proportionnellement à son trafic. Cette solution s’adapte aux variations de trafic et supporte les arrivées tardives de noeuds. Une évaluation de performances permet de comparer SERENA à d’autres algorithmes de coloriage comme DLF, à la fois en termes de nombre de couleurs et complexité. Les résultats de simulation montrent que SERENA maximise la durée de vie du réseau tout en accroissant la quantité de données remises. Nous quantifions la réutilisation spatiale des slots et évaluons l’impact de la taille de la trame sur les performances du réseau. Finalement, nous montrons comment SERENA améliore la répartition de la consommation énergétique des noeuds et maximise l’efficacité énergétique des réseaux sans fil ad hoc et des réseaux de capteurs. Mots-clés : efficacité énergétique, ordonnancement de l’activité des noeuds, durée de vie du réseau, noeud endormi, réutilisation spatiale, algorithme de coloriage, assignation de slots, réseaux mobiles ad hoc, réseaux de capteurs, consommation énergétique. in ria -0 01 96 09 4, v er si on 2 13 D ec 2 00 7 SERENA to schedule node activity in wireless ad hoc networks 3