[ca] Aquesta tesi contribueix a resoldre dos dels reptes per al desplegament de xarxes M2M en escenaris de recol·lecció de dades per a l'Internet de les Coses: la gestió de l'accés al canal d'un nombre massiu de dispositius; i la necessitat d'extendre la vida de la xarxa. Per resoldre'ls es consideren dues estratègies complementàries. En primer lloc, es centra en el disseny, l'anàlisi i l'avaluació de protocols MAC que poden manegar transicions abruptes de trànsit i redueixen el consum d'energia. I en segon lloc, es considera l'ús de mecanismes de captura d'energia (Energy Harvesters, EH) per a oferir un temps de vida il·limitat de la xarxa. Amb aquesta finalitat, la segona part de la tesi es centra en el disseny i l'anàlisi de protocols MAC de tipus "EH-aware".Mentre que Frame Slotted-ALOHA (FSA) ha estat tradicionalment adoptat en aplicacions de recol·lecció de dades, els resultats mostren que FSA presenta problemes d'escalabilitat i sincronització quan augmenta la densitat de la xarxa. De fet, la longitud de trama de FSA s'ha d'ajustar segons sigui el nombre de dispositius, la qual cosa pot ser difícil d'estimar en xarxes amb un nombre elevat i dinàmic de dispositius. Per superar aquests problemes, en aquesta tesi es proposa un protocol d'accés aleatori basat en "tree-splitting" denominat Low Power Contention Tree-based Access (LP-CTA). En LP-CTA, la longitud de trama pot ser curta i constant, la qual cosa facilita la sincronització i proporciona millor escalabilitat.Mentre que LP-CTA utilitza paquets de dades per a la contenció, és possible utilitzar sol·licituds d'accés a mini-slots, on les col·lisions es resolen utilitzant "tree-splitting", i evitar la contenció a les dades. Atès que aquests mini-slots poden ser molt més curts que la durada d'un slot de dades, el rendiment de LP-CTA pot ser millorat. El protocol Low Power Distributed Queuing (LP-DQ) proposat en aquesta tesi es basa en aquesta idea. LP-DQ combina "tree-splitting" amb la lògica de dues cues distribuïdes que gestionen la resolució de la contenció en la sol·licitud d'accés i la transmissió de dades lliure de col·lisions. Els resultats demostren que LP-DQ millora LP-CTA i FSA en termes de retard i eficiència energètica, LP-DQ no requereix conèixer la mida de la xarxa i s'adapta sense problemes a qualsevol canvi en el nombre de dispositius.LP-DQ és convenient quan els missatges transmesos per cada dispositiu caben en un únic slot de dades, però, si els dispositius generen missatges llargs que requereixen fragmentació, és millor afegir un mecanisme de reserva per augmentar el rendiment. En aquest sentit, el protocol LPR-DQ es proposa com una extensió de LP-DQ que inclou un mecanisme de reserva per a permetre que cada dispositiu reservi el nombre de slots de dades segons sigui el nombre de fragments per missatge.La segona part de la tesi està dedicada a la integració de la capa MAC amb l'ús de "Energy Harvesters". La variabilitat i les fluctuacions de l'energia capturada es consideren per al disseny de protocols MAC de tipus "EH-aware" i es proposen tres mètriques de rendiment: la probabilitat d'entrega, el "Data Delivery Ratio" i l'eficiència temporal.Els treballs previs en xarxes de recol·lecció de dades amb EH se centren principalment en DFSA. En aquesta tesi, el protocol EH-CTA es proposa com una adaptació de LP-CTA que té en compte el procés de captura d'energia. Els resultats mostren que EH-CTA supera DFSA si el llindar d'energia perquè un dispositiu s'activi s'ajusta correctament. A més, mentre que a DFSA es necessita adaptar la longitud de trama de forma dinàmica, EH-CTA utilitza una longitud de trama fixa, facilitant així l'escalabilitat i la sincronització. Finalment, es proposen els protocols EH-RDFSA i EH-DQ per a escenaris en els quals les dades han de ser fragmentades. EH-RDFSA és una combinació de RFSA i DFSA, i EH-DQ és una extensió de LPR-DQ.

[en] This thesis aims at contributing to overcome two of the main challenges for the deployment of M2M networks in data collection scenarios for the Internet of Things: the management of massive numbers of end-devices that attempt to get access to the channel; and the need to extend the network lifetime. In order to solve these challenges, two complementary strategies are considered. Firstly, the thesis focuses on the design, analysis and performance evaluation of MAC protocols that can handle abrupt transitions in the traffic load and minimize the energy consumption devoted to communications. And secondly, the use of energy harvesting (EH) is considered in order to provide the network with unlimited lifetime. To this end, the second part of the thesis focuses on the design and analysis of EH-aware MAC protocols. While the Frame Slotted-ALOHA (FSA) protocol has been traditionally adopted in star topology networks for data collection, results show that FSA-based protocols lack of scalability and present synchronization problems as the network density increases. Indeed, the frame length of FSA must be adjusted to the number of contenders, which may be complex to attain in dense networks with large and dynamic number of end-devices. In order to overcome these issues, a tree splitting-based random access protocol, referred to as Low Power Contention Tree-based Access (LP-CTA), is proposed in the first part of this thesis. In LP-CTA, the frame length can be very short and fixed, which facilitates synchronization and provides better network scalability than FSA. While LP-CTA uses data slots for contention, it is possible to use short access requests in minislots, where collisions are resolved using tree splitting, and avoid the contention in data. Since these minislots can be much shorter than the duration of a data packet, the performance can be improved. The Low Power Distributed Queuing (LP-DQ) protocol proposed in this thesis is based on this idea. LP-DQ combines tree splitting with the logic of two distributed queues that manage the contention resolution and the collision-free data transmission. Results show that LP-DQ outperforms LP-CTA and FSA in terms of delay and energy efficiency, and it relaxes the need to know the size of the network and adapts smoothly to any change in the number of end-devices. The approach of LP-DQ is convenient when the messages transmitted by each end-device fit in one single slot, however, if the end-devices generate long messages that have to be fragmented, it is better to add a reservation mechanism in order to boost the performance. In this sense, the LPR-DQ protocol is proposed as an extension of LP-DQ where the concept of reservation is integrated to allow the end-devices reserve as many collision-free slots as needed. The second part of the thesis is devoted to the integration of the MAC layer with the use of energy harvesting. The variability and fluctuations of the harvested energy is considered for the design of EH-aware MAC protocols and three performance metrics are proposed: the probability of delivery, the data delivery ratio and the time efficiency. Previous works on data collection networks with EH focus on DFSA. In this thesis, the EH-CTA protocol is proposed as an adaptation of LP-CTA that takes the energy harvesting process into account. Results show that EH-CTA outperforms DFSA if the energy threshold for an end-device to become active is properly configured. In addition, while DFSA needs to adapt the frame length dynamically, EH-CTA uses a fixed frame length, thus facilitating scalability and synchronization. Finally, the EH-RDFSA and EH-DQ protocols are proposed for scenarios where data must be fragmented. EH-RDFSA is a combination of RFSA and DFSA, and EH-DQ is an extension of LPR-DQ.