This paper presents PW-MAC (Predictive-Wakeup MAC), a new energy-efficient MAC protocol based on asynchronous duty cycling. In PW-MAC, nodes each wake up to receive at randomized, asynchronous times. PW-MAC minimizes sensor node energy consumption by enabling senders to predict receiver wakeup times; to enable accurate predictions, PW-MAC introduces an on-demand prediction error correction mechanism that effectively addresses timing challenges such as unpredictable hardware and operating system delays and clock drift. PW-MAC also introduces an efficient prediction-based retransmission mechanism to achieve high energy efficiency even when wireless collisions occur and packets must be retransmitted. We evaluate PW-MAC on a testbed of MICAz motes and compare it to X-MAC, WiseMAC, and RI-MAC, three previous energy-efficient MAC protocols, under multiple concurrent multihop traffic flows and under hidden-terminal scenarios and scenarios in which nodes have wakeup schedule conflicts. In all experiments, PW-MAC significantly outperformed these other protocols. For example, evaluated on scenarios with 15 concurrent transceivers in the network, the average sender duty cycle for X-MAC, WiseMAC, and RI-MAC were all over 66%, while PW-MAC's average sender duty cycle was only 11%; the delivery latency for PW-MAC in these scenarios was less than 5% that for WiseMAC and X-MAC. In all experiments, PW-MAC maintained a delivery ratio of 100%.

Duty cycling is a widely used mechanism in wireless sensor networks (WSNs) to reduce energy consumption due to idle listening, but this mechanism also introduces additional latency in packet delivery. Several schemes have been proposed to mitigate this latency, but they are mainly optimized for light traffic loads. A WSN, however, could often experience bursty and high traffic loads, such as due to broadcast or convergecast traffic. In this paper, we present a new MAC protocol, called Demand Wakeup MAC (DW-MAC), that introduces a new low-overhead scheduling algorithm that allows nodes to wake up on demand during the Sleep period of an operational cycle and ensures that data transmissions do not collide at their intended receivers. This demand wakeup adaptively increases effective channel capacity during an operational cycle as traffic load increases, allowing DW-MAC to achieve low delivery latency under a wide range of traffic loads including both unicast and broadcast traffic. We compare DW-MAC with S-MAC (with and without adaptive listening) and with RMAC using ns-2 and show that DW-MAC outperforms these protocols, with increasing benefits as traffic load increases. For example, under high unicast traffic load, DW-MAC reduces delivery latency by 70% compared to S-MAC and RMAC, and uses only 50% of the energy consumed with S-MAC with adaptive listening. Under broadcast traffic, DW-MAC reduces latency by more than 50% on average while maintaining higher energy efficiency.