Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/11070

TitleEfficient aggregate computations in large-scale dense wireless sensor networks
Author(s)Pereira, Nuno Alexandre Magalhães
Advisor(s)Tovar, Eduardo Manuel de Médicis
Carvalho, Paulo
KeywordsMedium access control (MAC)
Data processing
Wireless sensor networks
Cyber-physical systems
Data aggregation
Métodos de acesso ao meio
Processamento de dados
Redes de sensores sem fio
Sistemas cíber-físicos
Agregação de dados
Issue date10-Sep-2010
Abstract(s)Assuming a world where we can be surrounded by hundreds or even thousands of inexpensive computing nodes densely deployed, each one with sensing and wireless communication capabilities, the problem of efficiently dealing with the enormous amount of information generated by those nodes emerges as a major challenge. The research in this dissertation addresses this challenge. This research work proves that it is possible to obtain aggregate quantities with a timecomplexity that is independent of the number of nodes, or grows very slowly as the number of nodes increases. This is achieved by co-designing the distributed algorithms for obtaining aggregate quantities and the underlying communication system. This work describes (i) the design and implementation of a prioritized medium access control (MAC) protocol which enforces strict priorities over wireless channels and (ii) the algorithms that allow exploiting this MAC protocol to obtain the minimum (MIN), maximum (MAX) and interpolation of sensor values with a time-complexity that is independent of the number of nodes deployed, whereas other state-of-the-art approaches have a time-complexity that is dependent on the number of nodes. These techniques also enable to efficiently obtain estimates of the number of nodes (COUNT) and the median of the sensor values (MEDIAN). The novel approach proposed to efficiently obtain aggregate quantities in large-scale, dense wireless sensor networks (WSN) is based on the adaptation to wireless media of a MAC protocol, known as dominance/binary countdown, which existed previously only for wired media, and design algorithms that exploit this MAC protocol for efficient data aggregation. Designing and implementing such MAC protocol for wireless media is not trivial. For this reason, a substantial part of this work is focused on the development and implementation of WiDom (short for Wireless Dominance) - a wireless MAC protocol that enables efficient data aggregation in large-scale, dense WSN. An implementation of WiDom is first proposed under the assumption of a fully connected network (a network with a single broadcast domain). This implementation can be exploited to efficiently obtain aggregated quantities. WiDom can also implement static priority scheduling over wireless media. Therefore, a schedulability analysis for WiDom is also proposed. WiDom is then extended to operate in sensor networks where a single transmission cannot reach all nodes, in a network with multiple broadcast domains. These results are significant because often networks of nodes that take sensor readings are designed to be large scale, dense networks and it is exactly for such scenarios that the proposed distributed algorithms for obtaining aggregate quantities excel. The implementation and test of these distributed algorithms in a hardware platform developed shows that aggregate quantities in large-scale, dense wireless sensor systems can be obtained efficientlly.
É possível prever um mundo onde estaremos rodeados por centenas ou até mesmo milhares de pequenos nós computacionais densamente instalados. Cada um destes nós será de dimensões muito reduzidas e possui capacidades para obter dados directamente do ambiente através de sensores e transmitir informação via rádio. Frequentemente, este tipo de redes são denominadas de redes de sensores sem fio. Perante tal cenário, o problema de lidar com a considerável quantidade de informação gerada por todos estes nós emerge como um desafio de grande relevância. A investigação apresentada nesta dissertação atenta neste desafio. Este trabalho de investigação prova que é possível obter quantidades agregadas com uma complexidade temporal que é independente do número de nós computacionais envolvidos, ou cresce muito lentamente quando o número de nós aumenta. Isto é conseguido através uma co-concepção dos algoritmos para obter quantidades agregadas e do sistema de comunicação subjacente. Este trabalho descreve (i) a concepção e implementação de um protocolo de acesso ao meio que garante prioridades estáticas em canais de comunicação sem fio e (ii) os algoritmos que permitem tirar partido deste protocolo de acesso ao meio para obter quantidades agregadas como o mínimo (MIN), máximo (MAX) e interpolação de valores obtidos a partir de sensores ambientais com uma complexidade que é independente do número de nós computacionais envolvidos. Estas técnicas também permitem obter, de forma eficiente, estimativas do número de nós (COUNT) e a mediana dos valores dos sensores (MEDIAN). A abordagem inovadora, proposta para obter de forma eficiente quantidades agregadas em redes de sensores sem fio de larga escala, é baseada na adaptação para meios de comunicação sem fio de um protocolo de acesso ao meio anteriormente apenas existente em sistemas cablados, e na concepção de algoritmos que tiram partido deste protocolo para agregação de dados eficiente. A concepção e implementação de tal protocolo de acesso ao meio não é trivial. Por esta razão, uma parte substancial deste trabalho é focada no desenvolvimento e implementação de um protocolo de acesso ao meio que permite agregação de dados eficiente em redes de sensores sem fio densas e de larga escala. Esta implementação é denominada de WiDom. A implementação do WiDom apresentada foi inicialmente desenvolvida assumindo que a rede é totalmente ligada (uma transmisão de um nó alcança todos os outros nós). Esta implementação pode ser explorada para obter quantidades agregadas de forma eficiente. Adicionalmente, o protocolo WiDom pode implementar escalonamento utilizando prioridades fixas, permitindo a proposta de uma análise de resposta temporal. Neste trabalho, o WiDom é também estendido para funcionar em redes onde a transmissão de um nó não pode alcançar todos os outros nós. Os resultados apresentados neste trabalho são relevantes porque as redes de sensores sem fio são frequentemente concebidas para serem densas e de larga escala. É exactamente nestes casos que os algoritmos propostos para obter quantidades agregadas de forma eficiente apresentam maiores vantagens. A implementação e teste destes algoritmos distribuídos numa plataforma especialmente desenvolvida para o efeito demonstra que de facto podem ser obtidas quandidades agregadas de forma eficiente, mesmo em redes de sensores sem fio densas e de larga escala.
TypedoctoralThesis
DescriptionTese de doutoramento em Informática
URIhttp://hdl.handle.net/1822/11070
AccessopenAccess
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento

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