Scheduling Sensors for Guaranteed Sparse Coverage

Sensor networks are particularly applicable to the tracking of objects in motion. For such applications, it may not necessary that the whole region be covered by sensors as long as the uncovered region is not too large. This notion has been formalized by Balasubramanian et.al. as the problem of $\kappa$-weak coverage. This model of coverage provides guarantees about the regions in which the objects may move undetected. In this paper, we analyse the theoretical aspects of the problem and provide guarantees about the lifetime achievable. We introduce a number of practical algorithms and analyse their significance. The main contribution is a novel linear programming based algorithm which provides near-optimal lifetime. Through extensive experimentation, we analyse the performance of these algorithms based on several parameters defined

Experimental optimization of exposure index and quality of service in WLAN networks

This paper presents the first real-life optimization of the Exposure Index (EI). A genetic optimization algorithm is developed and applied to three real-life Wireless Local Area Network scenarios in an experimental testbed. The optimization accounts for downlink, uplink and uplink of other users, for realistic duty cycles, and ensures a sufficient Quality of Service to all users. EI reductions up to 97.5% compared to a reference configuration can be achieved in a downlink-only scenario, in combination with an improved Quality of Service. Due to the dominance of uplink exposure and the lack of WiFi power control, no optimizations are possible in scenarios that also consider uplink traffic. However, future deployments that do implement WiFi power control can be successfully optimized, with EI reductions up to 86% compared to a reference configuration and an EI that is 278 times lower than optimized configurations under the absence of power control

Development of a GIS-based method for sensor network deployment and coverage optimization

Au cours des dernières années, les réseaux de capteurs ont été de plus en plus utilisés dans différents contextes d’application allant de la surveillance de l’environnement au suivi des objets en mouvement, au développement des villes intelligentes et aux systèmes de transport intelligent, etc. Un réseau de capteurs est généralement constitué de nombreux dispositifs sans fil déployés dans une région d'intérêt. Une question fondamentale dans un réseau de capteurs est l'optimisation de sa couverture spatiale. La complexité de l'environnement de détection avec la présence de divers obstacles empêche la couverture optimale de plusieurs zones. Par conséquent, la position du capteur affecte la façon dont une région est couverte ainsi que le coût de construction du réseau. Pour un déploiement efficace d'un réseau de capteurs, plusieurs algorithmes d'optimisation ont été développés et appliqués au cours des dernières années. La plupart de ces algorithmes reposent souvent sur des modèles de capteurs et de réseaux simplifiés. En outre, ils ne considèrent pas certaines informations spatiales de l'environnement comme les modèles numériques de terrain, les infrastructures construites humaines et la présence de divers obstacles dans le processus d'optimisation. L'objectif global de cette thèse est d'améliorer les processus de déploiement des capteurs en intégrant des informations et des connaissances géospatiales dans les algorithmes d'optimisation. Pour ce faire, trois objectifs spécifiques sont définis. Tout d'abord, un cadre conceptuel est développé pour l'intégration de l'information contextuelle dans les processus de déploiement des réseaux de capteurs. Ensuite, sur la base du cadre proposé, un algorithme d'optimisation sensible au contexte local est développé. L'approche élargie est un algorithme local générique pour le déploiement du capteur qui a la capacité de prendre en considération de l'information spatiale, temporelle et thématique dans différents contextes d'applications. Ensuite, l'analyse de l'évaluation de la précision et de la propagation d'erreurs est effectuée afin de déterminer l'impact de l'exactitude des informations contextuelles sur la méthode d'optimisation du réseau de capteurs proposée. Dans cette thèse, l'information contextuelle a été intégrée aux méthodes d'optimisation locales pour le déploiement de réseaux de capteurs. L'algorithme développé est basé sur le diagramme de Voronoï pour la modélisation et la représentation de la structure géométrique des réseaux de capteurs. Dans l'approche proposée, les capteurs change leur emplacement en fonction des informations contextuelles locales (l'environnement physique, les informations de réseau et les caractéristiques des capteurs) visant à améliorer la couverture du réseau. La méthode proposée est implémentée dans MATLAB et est testée avec plusieurs jeux de données obtenus à partir des bases de données spatiales de la ville de Québec. Les résultats obtenus à partir de différentes études de cas montrent l'efficacité de notre approche.In recent years, sensor networks have been increasingly used for different applications ranging from environmental monitoring, tracking of moving objects, development of smart cities and smart transportation system, etc. A sensor network usually consists of numerous wireless devices deployed in a region of interest. A fundamental issue in a sensor network is the optimization of its spatial coverage. The complexity of the sensing environment with the presence of diverse obstacles results in several uncovered areas. Consequently, sensor placement affects how well a region is covered by sensors as well as the cost for constructing the network. For efficient deployment of a sensor network, several optimization algorithms are developed and applied in recent years. Most of these algorithms often rely on oversimplified sensor and network models. In addition, they do not consider spatial environmental information such as terrain models, human built infrastructures, and the presence of diverse obstacles in the optimization process. The global objective of this thesis is to improve sensor deployment processes by integrating geospatial information and knowledge in optimization algorithms. To achieve this objective three specific objectives are defined. First, a conceptual framework is developed for the integration of contextual information in sensor network deployment processes. Then, a local context-aware optimization algorithm is developed based on the proposed framework. The extended approach is a generic local algorithm for sensor deployment, which accepts spatial, temporal, and thematic contextual information in different situations. Next, an accuracy assessment and error propagation analysis is conducted to determine the impact of the accuracy of contextual information on the proposed sensor network optimization method. In this thesis, the contextual information has been integrated in to the local optimization methods for sensor network deployment. The extended algorithm is developed based on point Voronoi diagram in order to represent geometrical structure of sensor networks. In the proposed approach sensors change their location based on local contextual information (physical environment, network information and sensor characteristics) aiming to enhance the network coverage. The proposed method is implemented in MATLAB and tested with several data sets obtained from Quebec City spatial database. Obtained results from different case studies show the effectiveness of our approach

An Energy-Efficient Distributed Algorithm for k-Coverage Problem in Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks (WSNs) have recently achieved a great deal of attention due to its numerous attractive applications in many different fields. Sensors and WSNs possesses a number of special characteristics that make them very promising in many applications, but also put on them lots of constraints that make issues in sensor network particularly difficult. These issues may include topology control, routing, coverage, security, and data management. In this thesis, we focus our attention on the coverage problem. Firstly, we define the Sensor Energy-efficient Scheduling for k-coverage (SESK) problem. We then solve it by proposing a novel, completely localized and distributed scheduling approach, naming Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK) such that the energy consumption among all the sensors is balanced, and the network lifetime is maximized while still satisfying the k-coverage requirement. Finally, in related work section we conduct an extensive survey of the existing work in literature that focuses on with the coverage problem