Localized Minimum Spanning Tree Based Multicast Routing with Energy-Efficient Guaranteed Delivery in Ad Hoc and Sensor Networks

We present a minimum spanning tree based energy aware multicast protocol (MSTEAM), which is a localized geographic multicast routing scheme designed for ad hoc and sensor networks. It uses locally-built minimum spanning trees (MST) as an efficient approximation of the optimal multicasting backbone. Using a MST is highly relevant in the context of dynamic wireless networks since its computation has a low time complexity (O(n log n)). Moreover, our protocol is fully localized and requires nodes to gather information only on 1-hop neighbors, which is common assumption in existing work. In MSTEAM, a message split occurs when the MST over the current node and the set of destinations has multiple edges originated at the current node. Destinations spanned by each of these edges are grouped together, and for each of these subsets the best neighbor is selected as the next hop. This selection is based on a cost over progress metric, where the progress is approximated by subtracting the weight of the MST over a given neighbor and the subset of destinations to the weight of the MST over the current node and the subset of destinations. Since such greedy localized scheme may lead the message to a void area (i.e., there is no neighbor providing positive progress toward the destinations), we also propose a completely new multicast generalization of the well-know face recovery mechanism. We provide a theoretical analysis proving that MSTEAM is loop-free and always achieves delivery of the multicast message, as long as a path exists between the source node and the destinations. Our experimental results demonstrate that MSTEAM is highly energy-efficient, outperforms the best existing localized multicast scheme and is almost as efficient as a centralized scheme in high densities

Foundations of coverage algorithms in autonomic mobile sensor networks

Drones are poised to become a prominent focus of advances in the near future as hardware platforms manufactured via mass production become accessible to consumers in higher quantities at lower costs than ever before. As more ways to utilize such devices become more popular, algorithms for directing the activities of mobile sensors must expand in order to automate their work. This work explores algorithms used to direct the behavior of networks of autonomous mobile sensors, and in particular how such networks can operate to achieve coverage of a field using mobility. We focus special attention to the way limited mobility affects the performance (and other factors) of algorithms traditionally applied to area coverage and event detection problems. Strategies for maximizing event detection and minimizing detection delay as mobile sensors with limited mobility are explored in the first part of this work. Next we examine exploratory coverage, a new way of analyzing sensor coverage, concerned more with covering each part of the coverage field once, while minimizing mobility required to achieve this level of 1-coverage. This analysis is contained in the second part of this work. Extending the analysis of mobility, we next strive to explore the novel topic of disabled mobility in mobile sensors, and how algorithms might react to increase effectiveness given that some sensors have lost mobility while retaining other senses. This work analyzes algorithm effectiveness in light of disabled mobility, demonstrates how this particular failure mode impacts common coverage algorithms, and presents ways to adjust algorithms to mitigate performance losses. --Abstract, page iv

Efficient Aerial Data Collection with UAV in Large-Scale Wireless Sensor Networks

Data collection from deployed sensor networks can be with static sink, ground-based mobile sink, or Unmanned Aerial Vehicle (UAV) based mobile aerial data collector. Considering the large-scale sensor networks and peculiarity of the deployed environments, aerial data collection based on controllable UAV has more advantages. In this paper, we have designed a basic framework for aerial data collection, which includes the following five components: deployment of networks, nodes positioning, anchor points searching, fast path planning for UAV, and data collection from network. We have identified the key challenges in each of them and have proposed efficient solutions. This includes proposal of a Fast Path Planning with Rules (FPPWR) algorithm based on grid division, to increase the efficiency of path planning, while guaranteeing the length of the path to be relatively short. We have designed and implemented a simulation platform for aerial data collection from sensor networks and have validated performance efficiency of the proposed framework based on the following parameters: time consumption of the aerial data collection, flight path distance, and volume of collected data

Data Gathering with Tour Length-Constrained

In this paper, given a single mobile element and a time deadline, we investigate the problem of designing the mobile element tour to visit subset of nodes, such that the length of this tour is bounded by the time deadline and the communication cost between nodes outside and inside the tour is minimized. The nodes that the mobile element tour visits, works as cache points that store the data of the other nodes. Several algorithms in the literature have tackled this problem by separating two phases; the construction of the mobile element tour from the computation of the forwarding trees to the cache points. In this paper, we propose algorithmic solutions that alternate between these phases and iteratively improves the outcome of each phase based on the result of the other. We compare the resulting performance of our solutions with that of previous work

Exploiting and optimizing mobility in wireless sensor networks

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016.Nos últimos anos, as chamadas Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) tem sido usadas numa grande variedade de aplicações, tais como monitoramento (p.ex. poluição do ar e água, vulcões, estruturas, sinais vitais), detecção de eventos (p.ex. vigilância, incêndios, inundações, terremotos), e monitoramento de alvos (p.ex. segurança, animais silvestres, etc). RSSF são constituídas tipicamente por dezenas, as vez centenas de pequenos dispositivos alimentados por baterias, capazes de realizar medições e de transmitir tais dados para uma estação base através de um canal sem fio. Uma das formas mais promissoras para melhorar o desempenho das RSSF em termos de conectividade, tempo de vida da rede, e latência na transmissão dos dados é através de técnicas que exploram a mobilidade em um ou mais componentes da rede. A mobilidade na RSSF pode ser tanto controlável como aleatória, sendo que em ambos os casos os protocolos devem ser devidamente ajustados para responder adequadamente aos cenários em questão. No caso de mobilidade aleatória, os nodos sensores podem ser capazes de aprender os padrões de mobilidade dos nodos para poderem otimizar a operação da rede. Por outro lado, sendo os padrões de mobilidade conhecidos, é possível fazer escolhas para melhor sintonizar o desempenho da rede de acordo com os critérios estabelecidos pelo projetista. A presente tese de doutorado procura explorar as vantagens associadas com o uso de mobilidade controlada em RSSF. É possível definir mobilidade controlada como sendo a capacidade de se alterar propositalmente o posicionamento de determinados nodos da RSSF. Com isso se torna possível explorar, controlar, ou mesmo otimizar a trajetória e a velocidade dos nodos móveis da RSSF a fim de maximizar o desempenho da rede como um todo. Definitivamente, o uso de nodos que permitam o ajuste de trajetória e velocidade oferece um alto grau de flexibilidade para se explorar aspectos de mobilidade e projetar protocolos de coleta de dados otimizados. Ao se utilizar mobilidade controlada, algumas das operações realizadas pela RSSF podem ser significativamente melhoradas, de modo a tornar possível ajustar o padrão de desempenho da rede de acordo com os níveis desejados. Por exemplo, o processo de descoberta de nodos pode ser melhorado e mesmo simplificado com o controle dos nodos móveis, de modo que ele possa se aproximar dos nodos estáticos em instantes pré-determinados. Da mesma forma, o processo de coleta de dados pode ser otimizado se os nodos móveis se moverem mais rapidamente nos locais onde eles precisam coletar menos dados. Entretanto, diversos desafios aparecem neste tipo de contexto. Por exemplo, como se deve escalonar a chegada do(s) nodo(s) móvel(is) e como se deve controlar e otimizar a movimentação em termos de velocidade sem afetar a qualidade de serviço. Nesse contexto, o segundo capítulo da teseapresenta um esquema de estimação de localização de nodos estáticos espalhados ao longo de uma área predeterminada, utilizando-se para tanto de um nodo móvel com mobilidade controlada. Tal informação de posicionamento é muito importante para a organização de uma RSSF. Com isso é possível definir a sua cobertura, os protocolos de roteamento, a forma de coleta de dados e também auxiliar em aplicações de rastreamento e detecção de eventos. O esquema proposto consiste de uma técnica de localização para estimar a posição dos nodos sensor de forma eficiente, usando apenas um nodo móvel e técnicas geométricas simples. O esquema não requer hardware adicional ou mesmo comunicação entre nodos sensores, evitando assim maiores gastos de baterias. A estimativa de posição obtida é precisa e capaz de tolerar um certo grau de obstáculos. Os resultados obtidos ao longo da tese demostram que a precisão de localização pode ser bem ajustada selecionando corretamente a velocidade, o intervalo de transmissão de beacons e o padrão de varredura da área de interesse pelo nodo móvel.Já o terceiro capítulo apresentada uma técnica de otimização para fins de controle da mobilidade do nodo coletor de dados (MDC). Com isso torna-se possível desenvolver um esquema inteligente de coleta de dados na RSSF. Em primeiro lugar, são destacados os fatores que afetam o processo de coleta de dados usando um MDC. Em seguida é apresentado um algoritmo adaptativo que permite ajustar os parâmetros de controlenecessários para modificar os parâmetros de movimentação do MDC. Estes parâmetros permitem que a velocidade do MDC seja ajustada em tempo de execução para otimizaro processo de coleta de dados. Com isso o MDC pode se adaptar às diferentes taxas de coletas de dados impostas por um conjunto de nodos heterogêneos. O esquema proposto apresenta vantagens significativas para RSSF de grande escala e também heterogêneas (onde os sensores possuem taxas de amostragem variáveis). Os resultados obtidos mostram um aumento significativo na taxa de coleta de dados e a redução no tempo total de deslocamento e no número de voltas que o MDC gasta para coletar os dados dos sensores.Por fim, o capítulo 4 propõe um mecanismo de controle de acesso (MAC) adaptado ao cenário de mobilidade, que se ajusta automaticamente de acordo com o padrão de mobilidade do MDC. O mesmo foca umaredução no consumo de energia e na melhoria da coleta de dados, suportando mobilidade e evitando colisões de mensagens. Este protocolo destina-se a aplicações de coleta de dados nas quais os nós sensores têm de reportar periodicamente a um nó receptor ou estação base. O conceito básico é baseado em acesso múltiplo de divisão de tempo, onde a duração do padrão de sono-vigília é definida de acordo com o padrão de mobilidade do MDC. O esquema proposto é capaz de atender tanto mobilidade aleatória quanto controlada por parte do MDC, desde que as RSSF sejam organizadas em cluster. Uma análise de simulação detalhada é realizada para avaliar seu desempenho em cenários mais gerais e sob diferentes condições operacionais. Os resultados obtidos mostram que o nosso esquema proposto supera amplamente oprotocolo 802.15.4 com sinais (beacons) em termos de eficiência energética, tempo de deslocamento do MDC e taxas de coleta de dados.Abstract : One of the promising techniques for improving the performance of a wireless sensor network (WSN), in terms of connectivity, network lifetime, and data latency, is to introduce and exploit mobility in some of the network components. Mobility in WSN can be either uncontrollable or controllable and needs to be optimized in both cases. In the case of uncontrolled mobility, sensor nodes can learn the mobility patterns of mobile nodes to improve network performance. On the other hand, if the mobility is controllable in terms of trajectory and speed, it can be best tuned to enhance the performance of the network to the desired level. This thesis considers the problem of exploiting and optimizing mobility in wireless sensor networks in order to increase the performance and efficiency of the network.First, a location estimation scheme is discussed for static nodes within a given sensor area using a controlled mobile node. Position information of static nodes is very important in WSN. It helps in effective coverage, routing, data collection, target tracking, and event detection. The scheme discusses a localization technique for efficient position estimation of the sensor nodes using a mobile node and simple geometric techniques. The scheme does not require extra hardware or data communication and does not make the ordinary sensor nodes to spend energy on any interaction with neighboring nodes. The position estimation is accurate and efficient enough to tolerate obstacles and only requires broadcasting of beacon messages by the mobile node. Obtained simulation results show that the localization accuracy can be well adjusted by properly selecting the speed, beacon interval, and scan pattern of the mobile node.Second, an optimization technique for controlled mobility of a mobile data collector is presented in order to develop a smart data collection scheme in WSN. In this case, first, the factors affecting the data collection process using an MDC is highlighted. Then, an adaptive algorithm and control parameters that the MDC uses for autonomously controlling its motion is presented. These parameters allow the speed of the MDC to be adjusted at run time in order to adaptively improve the data collection process. Built-in intelligence helps our system adapting to the changing requirements of data collection. Our scheme shows significant advantages for sparsely deployed, large scale sensor networks and heterogeneous networks (where sensors have variable sampling rates). The simulation results show a significant increase in data collection rate and reduction in the overall traverse time and number of laps that the MDC spends for data gathering.Finally, a mobility aware adaptive medium access control (MAC) is proposed for WSNs which automatically adjusts according to the mobility pattern of the MDC, focusing on reducing energy consumption and improving data collection, while supporting mobility and collision avoidance. This protocol is targeted to data collection applications (e.g. monitoring and surveillance), in which sensor nodes have to periodically report to a sink node. The core concept is based on adaptive time division multiple access, where the sleep-wake duration is defined according to the MDC mobility pattern. The proposed scheme is described for random, predictable, and controlled arrival of MDC in cluster-based WSNs. A detailed simulation analysis is carried out to evaluate its performance in more general scenarios and under different operating conditions. The obtained results show that our scheme largely outperforms the commonly used 802.15.4 beacon-enabled and other fixed duty-cycling schemes in terms of energy efficiency, MDC traverse time, and data collection rates