Incentive Mechanisms for Participatory Sensing: Survey and Research Challenges

Participatory sensing is a powerful paradigm which takes advantage of smartphones to collect and analyze data beyond the scale of what was previously possible. Given that participatory sensing systems rely completely on the users' willingness to submit up-to-date and accurate information, it is paramount to effectively incentivize users' active and reliable participation. In this paper, we survey existing literature on incentive mechanisms for participatory sensing systems. In particular, we present a taxonomy of existing incentive mechanisms for participatory sensing systems, which are subsequently discussed in depth by comparing and contrasting different approaches. Finally, we discuss an agenda of open research challenges in incentivizing users in participatory sensing.Comment: Updated version, 4/25/201

SPACE-TA: cost-effective task allocation exploiting intradata and interdata correlations in sparse crowdsensing

Data quality and budget are two primary concerns in urban-scale mobile crowdsensing. Traditional research on mobile crowdsensing mainly takes sensing coverage ratio as the data quality metric rather than the overall sensed data error in the target-sensing area. In this article, we propose to leverage spatiotemporal correlations among the sensed data in the target-sensing area to significantly reduce the number of sensing task assignments. In particular, we exploit both intradata correlations within the same type of sensed data and interdata correlations among different types of sensed data in the sensing task. We propose a novel crowdsensing task allocation framework called SPACE-TA (SPArse Cost-Effective Task Allocation), combining compressive sensing, statistical analysis, active learning, and transfer learning, to dynamically select a small set of subareas for sensing in each timeslot (cycle), while inferring the data of unsensed subareas under a probabilistic data quality guarantee. Evaluations on real-life temperature, humidity, air quality, and traffic monitoring datasets verify the effectiveness of SPACE-TA. In the temperature- monitoring task leveraging intradata correlations, SPACE-TA requires data from only 15.5% of the subareas while keeping the inference error below 0.25°C in 95% of the cycles, reducing the number of sensed subareas by 18.0% to 26.5% compared to baselines. When multiple tasks run simultaneously, for example, for temperature and humidity monitoring, SPACE-TA can further reduce ∼10% of the sensed subareas by exploiting interdata correlations

CSWA: Aggregation-Free Spatial-Temporal Community Sensing

In this paper, we present a novel community sensing paradigm -- {C}ommunity {S}ensing {W}ithout {A}ggregation}. CSWA is designed to obtain the environment information (e.g., air pollution or temperature) in each subarea of the target area, without aggregating sensor and location data collected by community members. CSWA operates on top of a secured peer-to-peer network over the community members and proposes a novel \emph{Decentralized Spatial-Temporal Compressive Sensing} framework based on \emph{Parallelized Stochastic Gradient Descent}. Through learning the \emph{low-rank structure} via distributed optimization, CSWA approximates the value of the sensor data in each subarea (both covered and uncovered) for each sensing cycle using the sensor data locally stored in each member's mobile device. Simulation experiments based on real-world datasets demonstrate that CSWA exhibits low approximation error (i.e., less than $0.2 ^\circ$C in city-wide temperature sensing task and $10$ units of PM2.5 index in urban air pollution sensing) and performs comparably to (sometimes better than) state-of-the-art algorithms based on the data aggregation and centralized computation.Comment: This paper has been accepted by AAAI 2018. First two authors are equally contribute

Quality of Information in Mobile Crowdsensing: Survey and Research Challenges

Smartphones have become the most pervasive devices in people's lives, and are clearly transforming the way we live and perceive technology. Today's smartphones benefit from almost ubiquitous Internet connectivity and come equipped with a plethora of inexpensive yet powerful embedded sensors, such as accelerometer, gyroscope, microphone, and camera. This unique combination has enabled revolutionary applications based on the mobile crowdsensing paradigm, such as real-time road traffic monitoring, air and noise pollution, crime control, and wildlife monitoring, just to name a few. Differently from prior sensing paradigms, humans are now the primary actors of the sensing process, since they become fundamental in retrieving reliable and up-to-date information about the event being monitored. As humans may behave unreliably or maliciously, assessing and guaranteeing Quality of Information (QoI) becomes more important than ever. In this paper, we provide a new framework for defining and enforcing the QoI in mobile crowdsensing, and analyze in depth the current state-of-the-art on the topic. We also outline novel research challenges, along with possible directions of future work.Comment: To appear in ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN

Mechanisms for improving information quality in smartphone crowdsensing systems

Given its potential for a large variety of real-life applications, smartphone crowdsensing has recently gained tremendous attention from the research community. Smartphone crowdsensing is a paradigm that allows ordinary citizens to participate in large-scale sensing surveys by using user-friendly applications installed in their smartphones. In this way, fine-grained sensing information is obtained from smartphone users without employing fixed and expensive infrastructure, and with negligible maintenance costs. Existing smartphone sensing systems depend completely on the participants\u27 willingness to submit up-to-date and accurate information regarding the events being monitored. Therefore, it becomes paramount to scalably and effectively determine, enforce, and optimize the information quality of the sensing reports submitted by the participants. To this end, mechanisms to improve information quality in smartphone crowdsensing systems were designed in this work. Firstly, the FIRST framework is presented, which is a reputation-based mechanism that leverages the concept of mobile trusted participants to determine and improve the information quality of collected data. Secondly, it is mathematically modeled and studied the problem of maximizing the likelihood of successful execution of sensing tasks when participants having uncertain mobility execute sensing tasks. Two incentive mechanisms based on game and auction theory are then proposed to efficiently and scalably solve such problem. Experimental results demonstrate that the mechanisms developed in this thesis outperform existing state of the art in improving information quality in smartphone crowdsensing systems --Abstract, page iii

EdgeSense: Edge-Mediated Spatial-Temporal Crowdsensing

Edge computing recently is increasingly popular due to the growth of data size and the need of sensing with the reduced center. Based on Edge computing architecture, we propose a novel crowdsensing framework called Edge-Mediated Spatial-Temporal Crowdsensing. This algorithm targets on receiving the environment information such as air pollution, temperature, and traffic flow in some parts of the goal area, and does not aggregate sensor data with its location information. Specifically, EdgeSense works on top of a secured peer-To-peer network consisted of participants and propose a novel Decentralized Spatial-Temporal Crowdsensing framework based on Parallelized Stochastic Gradient Descent. To approximate the sensing data in each part of the target area in each sensing cycle, EdgeSense uses the local sensor data in participants\u27 mobile devices to learn the low-rank characteristic and then recovers the sensing data from it. We evaluate the EdgeSense on the real-world data sets (temperature [1] and PM2.5 [2] data sets), where our algorithm can achieve low error in approximation and also can compete with the baseline algorithm which is designed using centralized and aggregated mechanism

HyTasker:Hybrid Task Allocation in Mobile Crowd Sensing

Task allocation is a major challenge in Mobile Crowd Sensing (MCS). While previous task allocation approaches follow either the opportunistic or participatory mode, this paper proposes to integrate these two complementary modes in a two-phased hybrid framework called HyTasker. In the offline phase, a group of workers (called opportunistic workers ) are selected, and they complete MCS tasks during their daily routines (i.e., opportunistic mode). In the online phase, we assign another set of workers (called participatory workers ) and require them to move specifically to perform tasks that are not completed by the opportunistic workers (i.e., participatory mode). Instead of considering these two phases separately, HyTasker jointly optimizes them with a total incentive budget constraint. In particular, when selecting opportunistic workers in the offline phase of HyTasker, we propose a novel algorithm that simultaneously considers the predicted task assignment for the participatory workers, in which the density and mobility of participatory workers are taken into account. Experiments on two real-world mobility datasets demonstrate that HyTasker outperforms other methods with more completed tasks under the same budget constraint

Distributed, Low-Cost, Non-Expert Fine Dust Sensing with Smartphones

Diese Dissertation behandelt die Frage, wie mit kostengünstiger Sensorik Feinstäube in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden können. Dazu wird ein neues Sensorsystem auf Basis kostengünstiger off-the-shelf-Sensoren und Smartphones vorgestellt, entsprechende robuste Algorithmen zur Signalverarbeitung entwickelt und Erkenntnisse zur Interaktions-Gestaltung für die Messung durch Laien präsentiert. Atmosphärische Aerosolpartikel stellen im globalen Maßstab ein gravierendes Problem für die menschliche Gesundheit dar, welches sich in Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen äußert und eine Verkürzung der Lebenserwartung verursacht. Bisher wird Luftqualität ausschließlich anhand von Daten relativ weniger fester Messstellen beurteilt und mittels Modellen auf eine hohe räumliche Auflösung gebracht, so dass deren Repräsentativität für die flächendeckende Exposition der Bevölkerung ungeklärt bleibt. Es ist unmöglich, derartige räumliche Abbildungen mit den derzeitigen statischen Messnetzen zu bestimmen. Bei der gesundheitsbezogenen Bewertung von Schadstoffen geht der Trend daher stark zu räumlich differenzierenden Messungen. Ein vielversprechender Ansatz um eine hohe räumliche und zeitliche Abdeckung zu erreichen ist dabei Participatory Sensing, also die verteilte Messung durch Endanwender unter Zuhilfenahme ihrer persönlichen Endgeräte. Insbesondere für Luftqualitätsmessungen ergeben sich dabei eine Reihe von Herausforderungen - von neuer Sensorik, die kostengünstig und tragbar ist, über robuste Algorithmen zur Signalauswertung und Kalibrierung bis hin zu Anwendungen, die Laien bei der korrekten Ausführung von Messungen unterstützen und ihre Privatsphäre schützen. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Anwendungsszenario Partizipatorischer Umweltmessungen, bei denen Smartphone-basierte Sensorik zum Messen der Umwelt eingesetzt wird und üblicherweise Laien die Messungen in relativ unkontrollierter Art und Weise ausführen. Die Hauptbeiträge hierzu sind: 1. Systeme zum Erfassen von Feinstaub mit Smartphones (Low-cost Sensorik und neue Hardware): Ausgehend von früher Forschung zur Feinstaubmessung mit kostengünstiger off-the-shelf-Sensorik wurde ein Sensorkonzept entwickelt, bei dem die Feinstaub-Messung mit Hilfe eines passiven Aufsatzes auf einer Smartphone-Kamera durchgeführt wird. Zur Beurteilung der Sensorperformance wurden teilweise Labor-Messungen mit künstlich erzeugtem Staub und teilweise Feldevaluationen in Ko-Lokation mit offiziellen Messstationen des Landes durchgeführt. 2. Algorithmen zur Signalverarbeitung und Auswertung: Im Zuge neuer Sensordesigns werden Kombinationen bekannter OpenCV-Bildverarbeitungsalgorithmen (Background-Subtraction, Contour Detection etc.) zur Bildanalyse eingesetzt. Der resultierende Algorithmus erlaubt im Gegensatz zur Auswertung von Lichtstreuungs-Summensignalen die direkte Zählung von Partikeln anhand individueller Lichtspuren. Ein zweiter neuartiger Algorithmus nutzt aus, dass es bei solchen Prozessen ein signalabhängiges Rauschen gibt, dessen Verhältnis zum Mittelwert des Signals bekannt ist. Dadurch wird es möglich, Signale die von systematischen unbekannten Fehlern betroffen sind auf Basis ihres Rauschens zu analysieren und das "echte" Signal zu rekonstruieren. 3. Algorithmen zur verteilten Kalibrierung bei gleichzeitigem Schutz der Privatsphäre: Eine Herausforderung partizipatorischer Umweltmessungen ist die wiederkehrende Notwendigkeit der Sensorkalibrierung. Dies beruht zum einen auf der Instabilität insbesondere kostengünstiger Luftqualitätssensorik und zum anderen auf der Problematik, dass Endbenutzern die Mittel für eine Kalibrierung üblicherweise fehlen. Bestehende Ansätze zur sogenannten Cross-Kalibrierung von Sensoren, die sich in Ko-Lokation mit einer Referenzstation oder anderen Sensoren befinden, wurden auf Daten günstiger Feinstaubsensorik angewendet sowie um Mechanismen erweitert, die eine Kalibrierung von Sensoren untereinander ohne Preisgabe privater Informationen (Identität, Ort) ermöglicht. 4. Mensch-Maschine-Interaktions-Gestaltungsrichtlinien für Participatory Sensing: Auf Basis mehrerer kleiner explorativer Nutzerstudien wurde empirisch eine Taxonomie der Fehler erstellt, die Laien beim Messen von Umweltinformationen mit Smartphones machen. Davon ausgehend wurden mögliche Gegenmaßnahmen gesammelt und klassifiziert. In einer großen summativen Studie mit einer hohen Teilnehmerzahl wurde der Effekt verschiedener dieser Maßnahmen durch den Vergleich vier unterschiedlicher Varianten einer App zur partizipatorischen Messung von Umgebungslautstärke evaluiert. Die dabei gefundenen Erkenntnisse bilden die Basis für Richtlinien zur Gestaltung effizienter Nutzerschnittstellen für Participatory Sensing auf Mobilgeräten. 5. Design Patterns für Participatory Sensing Games auf Mobilgeräten (Gamification): Ein weiterer erforschter Ansatz beschäftigt sich mit der Gamifizierung des Messprozesses um Nutzerfehler durch den Einsatz geeigneter Spielmechanismen zu minimieren. Dabei wird der Messprozess z.B. in ein Smartphone-Spiel (sog. Minigame) eingebettet, das im Hintergrund bei geeignetem Kontext die Messung durchführt. Zur Entwicklung dieses "Sensified Gaming" getauften Konzepts wurden Kernaufgaben im Participatory Sensing identifiziert und mit aus der Literatur zu sammelnden Spielmechanismen (Game Design Patterns) gegenübergestellt