Node Coloring in Wireless Networks: Complexity Results and Grid Coloring

International audienceColoring is used in wireless networks to improve communication efficiency, mainly in terms of bandwidth, energy and possibly end-to-end delays. In this paper, we define the h-hop node coloring problem, with h any positive integer, adapted to two types of applications in wireless networks. We specify both general mode for general applications and strategic mode for data gathering applications.We prove that the associated decision problem is NP-complete. We then focus on grid topologies that constitute regular topologies for large or dense wireless networks. We consider various transmission ranges and identify a color pattern that can be reproduced to color the whole grid with the optimal number of colors. We obtain an optimal periodic coloring of the grid for the considered transmission range. We then present a 3-hop distributed coloring algorithm, called SERENA. Through simulation results, we highlight the impact of node priority assignment on the number of colors obtained for any network and grids in particular. We then compare these optimal results on grids with those obtained by SERENA and identify directions to improve SERENA

Ordonnancement de l'activité des noeuds dans les réseaux ad hoc et les réseaux de capteurs sans fil

National audienceL'efficacité énergétique est une exigence majeure pour les réseaux sans fil où certains noeuds opèrent sur batterie. L'ordonnancement de l'activité des noeuds permet de distinguer périodes actives où la communication radio est possible et périodes inactives où la radio est arrêtée. Cet ordonnancement contribue largement à améliorer l'efficacité énergétique : d'une part en évitant les collisions entre transmissions conflictuelles et donc les retransmissions associées et d'autre part en permettant aux noeuds non concernés par la transmission de dormir pour économiser leur énergie. Parmi les solutions possibles, nous étudierons plus particulièrement le coloriage des noeuds. Après avoir défini le problème et ses différentes déclinaisons, nous donnerons sa complexité et proposerons SERENA, un algorithme de coloriage distribué qui s'adapte à la collecte de données. Nous présenterons OSERENA, l'optimisation de SERENA pour les réseaux denses et son utilisation dans le réseau de capteurs sans fil OCARI. Lorsque les noeuds ont des charges de trafic fortement hétérogènes, il devient plus intéressant d'effectuer une assignation de slots. Disposer d'un accès au médium multicanal et d'un puits multi-interfaces permet de gagner en nombre de slots nécessaires à la collecte de données, de réduire les interférences et d'améliorer la résistance aux perturbations. Nous présenterons une formalisation en ILP (Integer Linear Programming) du problème d'assignation de slots visant à minimiser le nombre de slots en profitant d'un environnement mono ou multicanal et d'un puits mono ou multi-interfaces. Nous donnerons des bornes théoriques sur le nombre optimal de slots dans diverses configurations et divers environnements (mono ou multicanal, puits mono ou multi-interfaces). Nous présenterons MODESA un algorithme centralisé d'allocatoion conjointe de canaux et slots temporels. Nous terminerons par quelques questions ouvertes

Stepwise Development Of Distributed Vertex Coloring Algorithms (Full Report)

Software-based systems have a strong impact in the daily life. For instance, systems like televisions, cell phones, credit cards are used for persons, while others systems, like networks, telecommunications, distributed and embedded devices, supercomputers, are used by organisations such as companies, governments, nations... Several countries, especially the advanced ones, rely on systems for the efficiency of domains like economy, health... Since they are needed in daily life, those systems should be reliable, and their specifications and design must be clear, understandable and should follow specific rules and they must avoid faults, failures and if they can not, they should at least be fault-tolerant and fail-safe. Therefore, because of those requirements, "Formal Verification" can be usefull to obtain an assurance and guarantee of their correctness with respect to safety and security issues

Swarm intelligence techniques for optimization and management tasks insensor networks

The main contributions of this thesis are located in the domain of wireless sensor netorks. More in detail, we introduce energyaware algorithms and protocols in the context of the following topics: self-synchronized duty-cycling in networks with energy harvesting capabilities, distributed graph coloring and minimum energy broadcasting with realistic antennas. In the following, we review the research conducted in each case. We propose a self-synchronized duty-cycling mechanism for sensor networks. This mechanism is based on the working and resting phases of natural ant colonies, which show self-synchronized activity phases. The main goal of duty-cycling methods is to save energy by efficiently alternating between different states. In the case at hand, we considered two different states: the sleep state, where communications are not possible and energy consumption is low; and the active state, where communication result in a higher energy consumption. In order to test the model, we conducted an extensive experimentation with synchronous simulations on mobile networks and static networks, and also considering asynchronous networks. Later, we extended this work by assuming a broader point of view and including a comprehensive study of the parameters. In addition, thanks to a collaboration with the Technical University of Braunschweig, we were able to test our algorithm in the real sensor network simulator Shawn (http://shawn.sf.net). The second part of this thesis is devoted to the desynchronization of wireless sensor nodes and its application to the distributed graph coloring problem. In particular, our research is inspired by the calling behavior of Japanese tree frogs, whose males use their calls to attract females. Interestingly, as female frogs are only able to correctly localize the male frogs when their calls are not too close in time, groups of males that are located nearby each other desynchronize their calls. Based on a model of this behavior from the literature, we propose a novel algorithm with applications to the field of sensor networks. More in detail, we analyzed the ability of the algorithm to desynchronize neighboring nodes. Furthermore, we considered extensions of the original model, hereby improving its desynchronization capabilities.To illustrate the potential benefits of desynchronized networks, we then focused on distributed graph coloring. Later, we analyzed the algorithm more extensively and show its performance on a larger set of benchmark instances. The classical minimum energy broadcast (MEB) problem in wireless ad hoc networks, which is well-studied in the scientific literature, considers an antenna model that allows the adjustment of the transmission power to any desired real value from zero up to the maximum transmission power level. However, when specifically considering sensor networks, a look at the currently available hardware shows that this antenna model is not very realistic. In this work we re-formulate the MEB problem for an antenna model that is realistic for sensor networks. In this antenna model transmission power levels are chosen from a finite set of possible ones. A further contribution concerns the adaptation of an ant colony optimization algorithm --currently being the state of the art for the classical MEB problem-- to the more realistic problem version, the so-called minimum energy broadcast problem with realistic antennas (MEBRA). The obtained results show that the advantage of ant colony optimization over classical heuristics even grows when the number of possible transmission power levels decreases. Finally we build a distributed version of the algorithm, which also compares quite favorably against centralized heuristics from the literature.Las principles contribuciones de esta tesis se encuentran en el domino de las redes de sensores inalámbricas. Más en detalle, introducimos algoritmos y protocolos que intentan minimizar el consumo energético para los siguientes problemas: gestión autosincronizada de encendido y apagado de sensores con capacidad para obtener energía del ambiente, coloreado de grafos distribuido y broadcasting de consumo mínimo en entornos con antenas reales. En primer lugar, proponemos un sistema capaz de autosincronizar los ciclos de encendido y apagado de los nodos de una red de sensores. El mecanismo está basado en las fases de trabajo y reposo de las colonias de hormigas tal y como estas pueden observarse en la naturaleza, es decir, con fases de actividad autosincronizadas. El principal objectivo de este tipo de técnicas es ahorrar energía gracias a alternar estados de forma eficiente. En este caso en concreto, consideramos dos estados diferentes: el estado dormido, en el que los nodos no pueden comunicarse y el consumo energético es bajo; y el estado activo, en el que las comunicaciones propician un consumo energético elevado. Con el objetivo de probar el modelo, se ha llevado a cabo una extensa experimentación que incluye tanto simulaciones síncronas en redes móviles y estáticas, como simulaciones en redes asíncronas. Además, este trabajo se extendió asumiendo un punto de vista más amplio e incluyendo un detallado estudio de los parámetros del algoritmo. Finalmente, gracias a la colaboración con la Technical University of Braunschweig, tuvimos la oportunidad de probar el mecanismo en el simulador realista de redes de sensores, Shawn (http://shawn.sf.net). La segunda parte de esta tesis está dedicada a la desincronización de nodos en redes de sensores y a su aplicación al problema del coloreado de grafos de forma distribuida. En particular, nuestra investigación está inspirada por el canto de las ranas de árbol japonesas, cuyos machos utilizan su canto para atraer a las hembras. Resulta interesante que debido a que las hembras solo son capaces de localizar las ranas macho cuando sus cantos no están demasiado cerca en el tiempo, los grupos de machos que se hallan en una misma región desincronizan sus cantos. Basado en un modelo de este comportamiento que se encuentra en la literatura, proponemos un nuevo algoritmo con aplicaciones al campo de las redes de sensores. Más en detalle, analizamos la habilidad del algoritmo para desincronizar nodos vecinos. Además, consideramos extensiones del modelo original, mejorando su capacidad de desincronización. Para ilustrar los potenciales beneficios de las redes desincronizadas, nos centramos en el problema del coloreado de grafos distribuido que tiene relación con diferentes tareas habituales en redes de sensores. El clásico problema del broadcasting de consumo mínimo en redes ad hoc ha sido bien estudiado en la literatura. El problema considera un modelo de antena que permite transmitir a cualquier potencia elegida (hasta un máximo establecido por el dispositivo). Sin embargo, cuando se trabaja de forma específica con redes de sensores, un vistazo al hardware actualmente disponible muestra que este modelo de antena no es demasiado realista. En este trabajo reformulamos el problema para el modelo de antena más habitual en redes de sensores. En este modelo, los niveles de potencia de transmisión se eligen de un conjunto finito de posibilidades. La siguiente contribución consiste en en la adaptación de un algoritmo de optimización por colonias de hormigas a la versión más realista del problema, también conocida como broadcasting de consumo mínimo con antenas realistas. Los resultados obtenidos muestran que la ventaja de este método sobre heurísticas clásicas incluso crece cuando el número de posibles potencias de transmisión decrece. Además, se ha presentado una versión distribuida del algoritmo, que también se compara de forma bastante favorable contra las heurísticas centralizadas conocidas