Tese de doutoramento em InformáticaAssuming a world where we can be surrounded by hundreds or even thousands of inexpensive
computing nodes densely deployed, each one with sensing and wireless communication
capabilities, the problem of efficiently dealing with the enormous amount of information
generated by those nodes emerges as a major challenge. The research in this dissertation
addresses this challenge.
This research work proves that it is possible to obtain aggregate quantities with a timecomplexity
that is independent of the number of nodes, or grows very slowly as the number
of nodes increases. This is achieved by co-designing the distributed algorithms for obtaining
aggregate quantities and the underlying communication system. This work describes (i) the
design and implementation of a prioritized medium access control (MAC) protocol which
enforces strict priorities over wireless channels and (ii) the algorithms that allow exploiting
this MAC protocol to obtain the minimum (MIN), maximum (MAX) and interpolation of
sensor values with a time-complexity that is independent of the number of nodes deployed,
whereas other state-of-the-art approaches have a time-complexity that is dependent on the
number of nodes. These techniques also enable to efficiently obtain estimates of the number
of nodes (COUNT) and the median of the sensor values (MEDIAN).
The novel approach proposed to efficiently obtain aggregate quantities in large-scale,
dense wireless sensor networks (WSN) is based on the adaptation to wireless media of a MAC
protocol, known as dominance/binary countdown, which existed previously only for wired
media, and design algorithms that exploit this MAC protocol for efficient data aggregation.
Designing and implementing such MAC protocol for wireless media is not trivial. For this
reason, a substantial part of this work is focused on the development and implementation
of WiDom (short for Wireless Dominance) - a wireless MAC protocol that enables efficient
data aggregation in large-scale, dense WSN.
An implementation of WiDom is first proposed under the assumption of a fully connected
network (a network with a single broadcast domain). This implementation can be
exploited to efficiently obtain aggregated quantities. WiDom can also implement static priority
scheduling over wireless media. Therefore, a schedulability analysis for WiDom is also
proposed. WiDom is then extended to operate in sensor networks where a single transmission
cannot reach all nodes, in a network with multiple broadcast domains.
These results are significant because often networks of nodes that take sensor readings
are designed to be large scale, dense networks and it is exactly for such scenarios that the
proposed distributed algorithms for obtaining aggregate quantities excel. The implementation
and test of these distributed algorithms in a hardware platform developed shows that
aggregate quantities in large-scale, dense wireless sensor systems can be obtained efficientlly.É possível prever um mundo onde estaremos rodeados por centenas ou até mesmo milhares
de pequenos nós computacionais densamente instalados. Cada um destes nós será de dimensões
muito reduzidas e possui capacidades para obter dados directamente do ambiente
através de sensores e transmitir informação via rádio. Frequentemente, este tipo de redes
são denominadas de redes de sensores sem fio. Perante tal cenário, o problema de lidar com
a considerável quantidade de informação gerada por todos estes nós emerge como um desafio
de grande relevância. A investigação apresentada nesta dissertação atenta neste desafio.
Este trabalho de investigação prova que é possível obter quantidades agregadas com uma
complexidade temporal que é independente do número de nós computacionais envolvidos, ou
cresce muito lentamente quando o número de nós aumenta. Isto é conseguido através uma
co-concepção dos algoritmos para obter quantidades agregadas e do sistema de comunicação
subjacente. Este trabalho descreve (i) a concepção e implementação de um protocolo de
acesso ao meio que garante prioridades estáticas em canais de comunicação sem fio e (ii) os
algoritmos que permitem tirar partido deste protocolo de acesso ao meio para obter quantidades
agregadas como o mínimo (MIN), máximo (MAX) e interpolação de valores obtidos
a partir de sensores ambientais com uma complexidade que é independente do número de
nós computacionais envolvidos. Estas técnicas também permitem obter, de forma eficiente,
estimativas do número de nós (COUNT) e a mediana dos valores dos sensores (MEDIAN).
A abordagem inovadora, proposta para obter de forma eficiente quantidades agregadas em
redes de sensores sem fio de larga escala, é baseada na adaptação para meios de comunicação
sem fio de um protocolo de acesso ao meio anteriormente apenas existente em sistemas
cablados, e na concepção de algoritmos que tiram partido deste protocolo para agregação
de dados eficiente. A concepção e implementação de tal protocolo de acesso ao meio não é
trivial. Por esta razão, uma parte substancial deste trabalho é focada no desenvolvimento e
implementação de um protocolo de acesso ao meio que permite agregação de dados eficiente
em redes de sensores sem fio densas e de larga escala. Esta implementação é denominada de
WiDom.
A implementação do WiDom apresentada foi inicialmente desenvolvida assumindo que
a rede é totalmente ligada (uma transmisão de um nó alcança todos os outros nós). Esta
implementação pode ser explorada para obter quantidades agregadas de forma eficiente.
Adicionalmente, o protocolo WiDom pode implementar escalonamento utilizando prioridades
fixas, permitindo a proposta de uma análise de resposta temporal. Neste trabalho, o WiDom
é também estendido para funcionar em redes onde a transmissão de um nó não pode alcançar
todos os outros nós.
Os resultados apresentados neste trabalho são relevantes porque as redes de sensores sem
fio são frequentemente concebidas para serem densas e de larga escala. É exactamente nestes
casos que os algoritmos propostos para obter quantidades agregadas de forma eficiente apresentam
maiores vantagens. A implementação e teste destes algoritmos distribuídos numa
plataforma especialmente desenvolvida para o efeito demonstra que de facto podem ser obtidas
quandidades agregadas de forma eficiente, mesmo em redes de sensores sem fio densas e
de larga escala.This research was partially developed at the Real-Time Computing System Research Centre
(CISTER), from the School of Engineering of the Polytechnic of Porto (ISEP/IPP
