Scalable and efficient data processing in networked control systems

Network control systems (NCSs) are spatially distributed systems in which the communication between sensors, actuators and controllers occurs through a shared band-limited digital communication network. However, the use of a shared communication network, in contrast to using several dedicated independent connections, introduces new challenges which are even more acute in large scale and dense networked control systems. In this paper we investigate a recently introduced technique of gathering information from a dense sensor network to be used in networked control applications. Obtaining efficiently an approximate interpolation of the sensed data is exploited as offering a good tradeoff between accuracy in the measurement of the input signals and the delay to the actuation. These are important aspects to take into account for the quality of control. We introduce a variation to the state-of-the-art algorithms which we prove to perform relatively better because it takes into account the changes over time of the input signal within the process of obtaining an approximate interpolation

Using a prioritized medium access control protocol for incrementally obtaining an interpolation of sensor readings

This paper addresses sensor network applications which need to obtain an accurate image of physical phenomena and do so with a high sampling rate in both time and space. We present a fast and scalable approach for obtaining an approximate representation of all sensor readings at high sampling rate for quickly reacting to critical events in a physical environment. This approach is an improvement on previous work in that after the new approach has undergone a startup phase then the new approach can use a very small sampling period

Virtual sensing directional hub MAC (VSDH-MAC) protocol with power control

Medium access control (MAC) protocols play a vital role in making effective use of a multiple access channel as it governs the achievable performance such as channel utilization and corresponding quality of service of wireless sensor networks (WSNs). In this paper, a virtual carrier sensing directional hub (VSDH) MAC protocol incorporating realistic directional antenna patterns is proposed for directional single hub centralized WSNs. While in most instances, MAC protocols assume idealized directional antenna patterns, the proposed VSDH-MAC protocol incorporates realistic directional antenna patterns to deliver enhanced link performance. We demonstrate that the use of directional antennas with a suitable MAC protocol can provide enhanced communication range and increased throughput with reduced energy consumption at each node, compared to the case when only omnidirectional antennas are used. For the scenarios considered in this study, results show that the average transmit power of the sensor nodes can be reduced by a factor of two, and at the same time offer significantly extended lifetime

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresEmbedded computing systems went through extraordinary evolutions during the past two decades, representing nowadays one of the most promising technologies for improving a wide range of application areas such as energy/resource management, safety, health or entertainment. New sensors and actuators are leading to an unprecedented level of interaction between computing systems and their surrounding physical environment. These embedded computers tend to be networked, often wirelessly, and they are becoming denser, of larger scale and more pervasively deployed. Since the wireless channel is a "natural resource" which must be shared between this large number of embedded computers, the medium access control (MAC) protocol significantly influences the performance of the entire system. In particular, satisfying real-time requirements — something that is needed for a computer to tightly interact with its physical environment — plays an important role. One solution was recently proposed by Pereira, Andersson and Tovar. It was a prioritized and collision-free MAC protocol belonging to a family of protocols called dominance/binary countdown protocols. This solution was implemented in commercial-off-the-shelf (COTS) wireless sensor networks (WSN) platforms and the implementation was demonstrated to be working. Unfortunately, those platforms had (for the MAC protocol) unfavourable characteristics which lead to limited efficiency and excessive overhead of the MAC protocol. This work presents a new hardware platform, in the form of a network adapter for common WSN platforms, that allows an efficient implementation of dominance protocols for wireless medium access, allowing the medium access to be performed in less than 5 ms for 216 priority levels, which represents an overhead reduction of more than ten times as compared to the protocol implementation in COTS WSN platforms. Additionally, the overall energy consumption was reduced by approximately 45 % when compared to the theoretical best-case performance of the protocol implementation in COTS WSN platforms. iv This work also allowed, for the first time ever, an aggregate computation scheme for WSN to work exploiting the new efficient implementation of a binary/dominance countdown protocol.No decurso das duas últimas décadas, os sistemas de computação embebidos sofreram uma extraordinária evolução, representando hoje em dia uma das mais promissoras tecnologias para possibilitar melhorias em áreas de aplicação tão diversas como a gestão de energia/recursos, segurança, saúde ou entretenimento. Novos sensores e actuadores conduzem a interacção entre os sistemas de computação e o ambiente físico onde se encontram inseridos até um nível sem precedentes. Estes computadores embebidos tendem a encontrar-se interligados (frequentemente recorrendo a ligações sem fios), sendo instalados de forma intensiva, e cada vez em maior escala. Sendo o meio de transmissão sem fios um “recurso natural” que deve ser partilhado entre este número elevado de computadores embebidos, o protocolo de controlo de acesso ao meio (do Inglês Medium Access Control - MAC) influencia significativamente o desempenho de todo o sistema. Em particular, a satisfação de requisitos temporais — algo que é necessário para uma estreira interacção entre um computador e o meio físico onde se insere — desempenha um papel muito importante. Uma solução foi recentemente proposta por Pereira, Andersson e Tovar, consistindo num protocolo MAC que implementa escalonamento baseado em prioridades e livre de colisões. Esta solução foi implementada em plataformas comercias de redes de sensores sem fios (do Inglês Wireless Sensor Networks - WSN), demonstrando-se funcional. Infelizmente, para a implementação do protocolo MAC, tais plataformas possuem características desfavoráveis, que conduzem a uma eficiência limitada do mesmo. Este trabalho apresenta uma nova platforma de hardware, sob a forma de um adaptador de rede, para platformas de WSN disponíveis comercialmente, que permite que a realização do acesso ao meio decorra em menos de 5 ms (para 216 níveis de prioridades). Tal representa uma redução superior a dez vezes no custo da execução do protocolo, quando comparada com a anterior implementação em platformas comercias de WSN. Adicionalmente, o consumo global de energia foi reduzido em aproximadamente 45 %, quando comparado com o melhor desempenho teórico possível da implementação em plataformas comerciais de WSN. vi Este trabalho permitiu ainda que, pela primeira vez, um esquema de computação agregada para WSN operasse tirando partido da implementação eficiente de um protocolo MAC apresentada neste trabalho

Efficient aggregate computations in large-scale dense wireless sensor networks

Tese de doutoramento em InformáticaAssuming 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.This research was partially developed at the Real-Time Computing System Research Centre (CISTER), from the School of Engineering of the Polytechnic of Porto (ISEP/IPP