In-network processing of nearest neigbor queries for wireless sensor networks

Abstract. Wireless sensor networks have been widely used for civilian and military applications, such as environmental monitoring and vehicle tracking. The sensor nodes in the network have the abilities to sense, store, compute and communicate. To enable object tracking applications, spatial queries such as nearest neighbor queries are to be supported in these networks. The queries can be injected by the user at any sensor node. Due to the limited power supply for sensor nodes, energy efficiency is the major concern in query processing. Centralized data storage and query processing schemes do not favor energy efficiency. In this paper, we propose a distributed scheme called DNN for in-network processing of nearest neighbor queries. A cost model is built to analyze the performance of DNN. Experimental results show that DNN outperforms the centralized scheme significantly in terms of energy consumption and network lifetime.

Towards Spatial Queries over Phenomena in Sensor Networks

Today, technology developments enable inexpensive production and deployment of tiny sensing and computing nodes. Networked through wireless radio, such senor nodes form a new platform, wireless sensor networks, which provide novel ability to monitor spatiotemporally continuous phenomena. By treating a wireless sensor network as a database system, users can pose SQL-based queries over phenomena without needing to program detailed sensor node operations. DBMS-internally, intelligent and energyefficient data collection and processing algorithms have to be implemented to support spatial query processing over sensor networks. This dissertation proposes spatial query support for two views of continuous phenomena: field-based and object-based. A field-based view of continuous phenomena depicts them as a value distribution over a geographical area. However, due to the discrete and comparatively sparse distribution of sensor nodes, estimation methods are necessary to generate a field-based query result, and it has to be computed collaboratively ‘in-the-network’ due to energy constraints. This dissertation proposes SWOP, an in-network algorithm using Gaussian Kernel estimation. The key contribution is the use of a small number of Hermite coefficients to approximate the Gaussian Kernel function for sub-clustered sensor nodes, and processes the estimation result efficiently. An object-based view of continuous phenomena is interested in aspects such as the boundary of an ‘interesting region’ (e.g. toxic plume). This dissertation presents NED, which provides object boundary detection in sensor networks. NED encodes partial event estimation results based on confidence levels into optimized, variable length messages exchanged locally among neighboring sensor nodes to save communication cost. Therefore, sensor nodes detect objects and boundaries based on moving averages to eliminate noise effects and enhance detection quality. Furthermore, the dissertation proposes the SNAKE-based approach, which uses deformable curves to track the spatiotemporal changes of such objects incrementally in sensor networks. In the proposed algorithm, only neighboring nodes exchange messages to maintain the curve structures. Based on in-network tracking of deformable curves, other types of spatial and spatiotemporal properties of objects, such as area, can be provided by the sensor network. The experimental results proved that our approaches are resource friendly within the constrained sensor networks, while providing high quality query results

Mobile Datenbanken - heute, morgen und in 20 Jahren. Tagungsband zum 8. Workshop des GI-Arbeitskreises "Mobile Datenbanken und Informationssysteme" am 28.2.2005 im Rahmen der BTW 2005 in Karlsruhe

Der Workshop Mobile Datenbanken heute, morgen und in 20 Jahren ist der nunmehr achte Workshop des GI Arbeitskreises Mobile Datenbanken und Informationssysteme. Der Workshop findet im Rahmen der BTW 2005, der GI Fachtagung für Datenbanksysteme in Business, Technologie und Web, vom 28. Februar bis zum 01. März 2005 in Karlsruhe statt. Das Workshopprogramm umfasst zwei eingeladene Vorträge sowie sieben wissenschaftliche Beiträge, die vom Programmkomitee aus den Einreichungen ausgewählt wurden. Für den zweiten Workshoptag, der im Zeichen intensiver Diskussionen stehen soll, wurden zwei weitere Einreichungen als Diskussionsgrundlage ausgewählt. Inhaltlich spannt der Workshop einen weiten Bogen: Von fast schon klassischen Fragen aus dem Kernbereich mobiler Datenbanken, wie etwa der Transaktionsbearbeitung in diesen Systemen, bis hin zu neuen Multimediaanwendungen auf mobilen Geräten und von der Anfragebearbeitung in Ad-hoc-Netzen bis zur Analyse des Stands der Technik beim Entwurf mobiler Anwendungen. Diese Breite spiegelt die Breite der Fragestellungen, die bei der Betrachtung von mobiler Informationsnutzung zu Tage treten, wider. Wir hoffen mit unserem Workshop einen Beitrag zum besseren Verständnis dieser Fragestellungen zu liefern und ein Forum zum Austausch von Fragen, Lösungsansätzen und Problemstellungen zwischen Praktikern und Forschern aus dem universitären Umfeld zu bieten

Deklarative Verarbeitung von Datenströmen in Sensornetzwerken

Sensors can now be found in many facets of every day life, and are used to capture and transfer both physical and chemical characteristics into digitally analyzable data. Wireless sensor networks play a central role in the proliferation of the industrial employment of wide-range, primarily autonomous surveillance of regions or buildings. The development of suitable systems involves a number of challenges. Current solutions are often designed with a specific task in mind, rendering them unsuitable for use in other environments. Suitable solutions for distributed systems are therefore continuously built from scratch on both the hardware and software levels, more often than not resulting in products in the market's higher price segments. Users would therefore profit from the reuse of existing modules in both areas of development. Once prefabricated solutions are available, the remaining challenge is to find a suitable combination of these solutions which fulfills the user's specifications. However, the development of suitable solutions often requires expert knowledge, especially in the case of wireless sensor networks in which resources are limited. The primary focus of this dissertation is energy-efficient data analysis in sensor networks. The AnduIN system, which is outlined in this dissertation, plays a central role in this task by reducing the software design phase to the mere formulation of the solution's specifications in a declarative query language. The system then reaches the user's defined goals in a fully automated fashion. Thus, the user is integrated into the design process only through the original definition of desired characteristics. The continuous surveillance of objects using wireless sensor networks depends strongly on a plethora of parameters. Experience has shown that energy consumption is one of the major weaknesses of wireless data transfer. One strategy for the reduction of energy consumption is to reduce the communication overhead by implementing an early analysis of measurement data on the sensor nodes. Often, it is neither possible nor practical to perform the complete data analysis of complex algorithms within the sensor network. In this case, portions of the analysis must be performed on a central computing unit. The AnduIN system integrates both simple methods as well as complex methods which are evaluated only partially in network. The system autonomously resolves which application fragments are executed on which components based on a multi-dimensional cost model. This work also includes various novel methods for the analysis of sensor data, such as methods for evaluating spatial data, data cleaning using burst detection, and the identification of frequent patters using quantitative item sets.Sensoren finden sich heutzutage in vielen Teilen des täglichen Lebens. Sie dienen dabei der Erfassung und Überführung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften in digital auswertbare Größen. Drahtlose Sensornetzwerke als Mittel zur großflächigen, weitestgehend autarken Überwachung von Regionen oder Gebäuden sind Teil dieser Brücke und halten immer stärker Einzug in den industriellen Einsatz. die Entwicklung von geeigneten Systemen ist mit einer Vielzahl von Herausforderungen verbunden. Aktuelle Lösungen werden oftmals gezielt für eine spezielle Aufgabe entworfen, welche sich nur bedingt für den Einsatz in anderen Umgebungen eignen. Die sich wiederholende Neuentwicklung entsprechender verteilter Systeme sowohl auf Hardwareebene als auch auf Softwareebene, zählt zu den wesentlichen Gründen, weshalb entsprechende Lösungen sich zumeist im hochpreisigen Segment einordnen. In beiden Entwicklungsbereichen ist daher die Wiederverwendung existierender Module im Interesse des Anwenders. Stehen entsprechende vorgefertigte Lösungen bereit, besteht weiterhin die Aufgabe, diese in geeigneter Form zu kombinieren, so dass den vom Anwender geforderten Zielen in allen Bereichen genügt wird. Insbesondere im Kontext drahtloser Sensornetzwerke, bei welchen mit stark beschränkten Ressourcen umgegangen werden muss, ist für das Erzeugen passender Lösungen oftmals Expertenwissen von Nöten. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die energie-effiziente Datenanalyse in drahtlosen Sensornetzwerken. Hierzu wird mit \AnduIN ein System präsentiert, welches den Entwurf auf Softwareebene dahingehend vereinfachen soll, dass der Anwender lediglich die Aufgabenstellung unter Verwendung einer deklarativen Anfragesprache beschreibt. Wie das vom Anwender definierte Ziel erreicht wird, soll vollautomatisch vom System bestimmt werden. Der Nutzer wird lediglich über die Definition gewünschter Eigenschaften in den Entwicklungsprozess integriert. Die dauerhafte Überwachung von Objekten mittels drahtloser Sensornetzwerke hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere der Energieverbrauch bei der drahtlosen Datenübertragung eine der wesentlichen Schwachstellen ist. Ein möglicher Ansatz zur Reduktion des Energiekonsums ist die Verringerung des Kommunikationsaufwands aufgrund einer frühzeitigen Auswertung von Messergebnissen bereits auf den Sensorknoten. Oftmals ist eine vollständige Verarbeitung von komplexen Algorithmen im Sensornetzwerk aber nicht möglich bzw. nicht sinnvoll. Teile der Verarbeitungslogik müssen daher auf einer zentralen Instanz ausgeführt werden. Das in der Arbeit entwickelte System integriert hierzu sowohl einfache als auch komplexe, nur teilweise im Sensornetzwerk verarbeitbare Verfahren. Die Entscheidung, welche Teile einer Applikation auf welcher Komponente ausgeführt werden, wird vom System selbstständig auf Basis eines mehrdimensionalen Kostenmodells gefällt. Im Rahmen der Arbeit werden weiterhin verschiedene Verfahren entwickelt, welche insbesondere im Zusammenhang mit der Analyse von Sensordaten von Interesse sind. Die erweiterten Algorithmen umfassen Methoden zur Auswertung von Daten mit räumlichem Bezug, das Data Cleaning mittels adaptiver Burst-Erkennung und die Identifikation von häufigen Mustern über quantitativen Itemsets