Improved Distributed Estimation Method for Environmental\ud time-variant Physical variables in Static Sensor Networks

In this paper, an improved distributed estimation scheme for static sensor networks is developed. The scheme is developed for environmental time-variant physical variables. The main contribution of this work is that the algorithm in [1]-[3] has been extended, and a filter has been designed with weights, such that the variance of the estimation errors is minimized, thereby improving the filter design considerably\ud and characterizing the performance limit of the filter, and thereby tracking a time-varying signal. Moreover, certain parameter optimization is alleviated with the application of a particular finite impulse response (FIR) filter. Simulation results are showing the effectiveness of the developed estimation algorithm

Incorporate ACO routing algorithm and mobile sink in wireless sensor networks

Today, science and technology is developing, particularly the internet of things (IoT), there is an increasing demand in the sensor field to serve the requirements of individuals within modern life. Wireless sensor networks (WSNs) was created to assist us to modernize our lives, saving labor, avoid dangers, and that bring high efficiency at work. There are many various routing protocols accustomed to increase the ability efficiency and network lifetime. However, network systems with one settled sink frequently endure from a hot spots issue since hubs close sinks take a lot of vitality to forward information amid the transmission method. In this paper, the authors proposed combining the colony optimization algorithm ant colony optimization (ACO) routing algorithm and mobile sink to deal with that drawback and extend the network life. The simulation results on MATLAB show that the proposed protocol has far better performance than studies within the same field

Relay Placement in Sensor Networks

In this thesis, I study relay placement in energy-constrained wireless sensor net-works. The goal is to optimise balanced data gathering, where the utility function is a weighted sum of the minimum and average amounts of data collected from each sensor node. I define a number of classes of simplified relay placement problems, including a planar problem with a simple cost model for radio communication. The computational complexity of these classes is studied, and all classes are proved NP-hard; in some cases even finding approximate solutions is NP-hard. I also present algorithms for finding k-optimal solutions to the relay placement problem. These algorithms have been implemented, and their performance has been studied empiri-cally; the implementation is freely available

Copyright protection of scalar and multimedia sensor network data using digital watermarking

This thesis records the research on watermarking techniques to address the issue of copyright protection of the scalar data in WSNs and image data in WMSNs, in order to ensure that the proprietary information remains safe between the sensor nodes in both. The first objective is to develop LKR watermarking technique for the copyright protection of scalar data in WSNs. The second objective is to develop GPKR watermarking technique for copyright protection of image data in WMSN

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

Energy aware and privacy preserving protocols for ad hoc networks with applications to disaster management

Disasters can have a serious impact on the functioning of communities and societies. Disaster management aims at providing efficient utilization of resources during pre-disaster (e.g. preparedness and prevention) and post-disaster (e.g. recovery and relief) scenarios to reduce the impact of disasters. Wireless sensors have been extensively used for early detection and prevention of disasters. However, the sensor\u27s operating environment may not always be congenial to these applications. Attackers can observe the traffic flow in the network to determine the location of the sensors and exploit it. For example, in intrusion detection systems, the information can be used to identify coverage gaps and avoid detection. Data source location privacy preservation protocols were designed in this work to address this problem. Using wireless sensors for disaster preparedness, recovery and relief operations can have high deployment costs. Making use of wireless devices (e.g. smartphones and tablets) widely available among people in the affected region is a more practical approach. Disaster preparedness involves dissemination of information among the people to make them aware of the risks they will face in the event of a disaster and how to actively prepare for them. The content is downloaded by the people on their smartphones and tablets for ubiquitous access. As these devices are primarily constrained by their available energy, this work introduces an energy-aware peer-to-peer file sharing protocol for efficient distribution of the content and maximizing the lifetime of the devices. Finally, the ability of the wireless devices to build an ad hoc network for capturing and collecting data for disaster relief and recovery operations was investigated. Specifically, novel energy-adaptive mechanisms were designed for autonomous creation of the ad hoc network, distribution of data capturing task among the devices, and collection of data with minimum delay --Abstract, page iii