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Tunable Reliability of Information Transport in Wireless Sensor Networks

Shaikh, Faisal Karim :
Tunable Reliability of Information Transport in Wireless Sensor Networks.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tunable Reliability of Information Transport in Wireless Sensor Networks
Language: English
Abstract:

A key functionality of Wireless Sensor Networks (WSNs) consists in obtaining and transporting the information of interest (e.g., event/status) required by the applications. The applications running on WSN also specify desired reliability levels on the desired information. Consequently, reliability requirements, possibly changing over time and of tunable levels over an application, are stipulated on the transport of information. As the WSN environments are often exposed to perturbations (e.g., energy depletion, sensor and connectivity loss etc), these specifically need to be considered in order to achieve the desired reliability on information transport. The existing approaches to reliable transport typically focus on maximizing the attained reliability levels than the more complex facets of reliability adaptation or tunability. These approaches thus tend to over utilize the network resources (e.g., energy) even when the application does not require enhanced reliability. On this background, this thesis develops a novel generalized framework for reliable information transport in WSNs. The proposed framework supports various applications, provides tunable reliability of information transport and copes with dynamic network conditions. To ascertain the fundamental issues dictating the reliability of information transport in WSNs, this thesis models and compares existing information transport techniques. We highlight the key problems with the existing techniques and provide solutions to achieve desired application requirements. The generic information transport framework developed in this thesis comprises of flexible and modular architectural blocks where different existing approaches can be easily incorporated. To maintain the generality of the framework we classify WSN applications and devise their information model. We achieve tunable reliability using probabilistic forwarding and opportunistic suppression of the information. For the detection of information loss, a hybrid acknowledgment technique is proposed which efficiently combines implicit and explicit acknowledgments. To ensure end-to-end reliability we develop heuristics to allocate reliability across the hops and tunable retransmission mechanism at each sensor node. In addition, if the sensor nodes know the spatial correlation of the information, they adapt the number of retransmissions according to the number of source nodes. Furthermore, congestion control is necessary in order to ensure the tunable reliability. We propose proactively detecting the congestion by observing the input and output information flow across a node. When congestion is detected, we propose mechanisms to split the information flow on multiple paths to alleviate congestion. If the congestion persists the information rate is adapted by the sensor nodes. Our simulation results in the standard sensor network simulator TOSSIM show that the proposed framework supports various applications with evolving reliability requirements, copes with dynamic network properties and outperforms the state-of-the-art solutions. Our framework also significantly reduces the number of transmissions to result in an efficient solution.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Eine wesentliche Funktion drahtloser Sensornetze (Wireless Sensor Networks, WSN) besteht darin, applikationsrelevante Informationen (etwa Ereignisse oder Zustandsinformationen) zu erfassen und zu übertragen. An diese Informationen, ihre Verarbeitung und ihre Übertragung spezifizieren WSN-Anwendungen unterschiedliche und sich im Laufe der Zeit verändernde Zuverlässigkeitsanforderungen, die wesentlich über die Umsetzung der Informationsübertragung realisiert werden. Im Laufe ihres Betriebs sehen sich WSN mit einer Vielzahl operationaler Störungen (z.B. dem Verlust von Sensorik, Konnektivität oder adäquater Energieversorgung) konfrontiert, die im Hinblick auf Sicherstellung einer hinreichenden Zuverlässigkeit der Informationsübertragung zu berücksichtigen sind. Bestehende Ansätze zur Gewährleistung einer zuverlässigen Informationsübertragung in WSN haben die Maximierung der Zuverlässigkeit zum Ziel. Sie ignorieren dabei die Variabilität der Zuverlässigkeitsanforderungen und erreichen dadurch eine Überapproximation der realen Anforderungen, die eine teils unnötig überhöhte Belastung der Systemressourcen (z.B. in Form erhöhten Energiebedarfs) zur Folge hat, sobald die maximal erzielte Zuverlässigkeit den real erforderlichen Grad an Zuverlässigkeit übersteigt. Vor dem Hintergrund dieser Problematik beschreibt die vorliegende Arbeit einen neuartigen generalisierten Ansatz zur Umsetzung zuverlässiger Informationsübertragung in WSN. Der präsentierte Ansatz ist für verschiedenartige WSN-Applikationen anwendbar, bietet justierbare Zuverlässigkeit der Informationsübertragung und berücksichtigt sich dynamisch verändernde operationale Bedingungen des Netzwerks. Die vorliegende Arbeit modelliert und vergleicht bestehende Umsetzungen der Informationsübertragung, um entscheidende Faktoren bei der Sicherstellung seiner Zuverlässigkeit zu identifizieren. Wir zeigen die wesentlichen Probleme dieser Ansätze auf und präsentieren Lösungen zur Umsetzung anwendungsspezifischer Zuverlässigkeitsanforderungen. Der in der vorliegenden Arbeit entwickelte generische Ansatz für die Informationsübertragung besitzt einen modularen Aufbau, der einen flexiblen Austausch seiner Komponenten (etwa zur Integration bestehender alternativer Mechanismen) ermöglicht. Die Generizität des Ansatzes wird sichergestellt, indem WSN-Anwendungen klassifiziert werden und die Informationsmodelle dieser verallgemeinerten WSN-Anwendungsklassen abgeleitet und den präsentierten Betrachtungen zugrunde gelegt werden. Wir erzielen justierbare Zuverlässigkeit durch die Kombination zweier Techniken: Probabilistic Forwarding und Opportunistic Suppression zu übertragender Information. Zur Erkennung von Informationsverlusten bei der Übertragung wird ein hybrider Acknowledgement-Mechanismus vorgeschlagen, der implizite und explizite Acknowledgements effizient kombiniert. Um Zuverlässigkeit durchgängig über sämtliche Stufen der Informationsübertragung sicherzustellen, werden Heuristiken zur Assoziation von Zuverlässigkeit zu atomaren Teilstrecken drahtloser Übertragung (Hops) und justierbare Mechanismen zur wiederholten Übertragung für Knoten des WSN entwickelt. Sofern Sensorknoten über Wissen zur räumlichen Korrelation zu übertragender Information verfügen, passen sie die Anzahl wiederholter Übertragungen an die Anzahl der Ursprungsknoten dieser Information an. Eine weitere Voraussetzung justierbarer Zuverlässigkeit ist Congestion Control, das in dieser Arbeit in einem proaktiven Ansatz durch Überwachung des an Sensorknoten ein- und ausgehenden Informationsflusses realisiert wird. Falls ein Congestion-Zustand erkannt wird, werden Mechanismen zur Aufteilung des Informationsflusses über mehrere Pfade aufgezeigt, die diesem Problem entgegenwirken. Für den Fall, dass der Congestion-Zustand dennoch weiterhin besteht, wird eine Adaption der Übertragungsrate vorgenommen. Die mit dem Sensornetz-Simulator TOSSIM erzielten Simulationsergebnisse zeigen, dass der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz eine Reihe unterschiedlicher Anwendungen mit sich entwickelnden Zuverlässigkeitsanforderungen unterstützt, flexibel auf sich verändernde operationale Bedingungen des Netzwerks reagiert und, in der Kombination dieser Eigenschaften, bestehende Lösungen übertrifft. Der präsentierte Ansatz reduziert ferner die Anzahl erforderlicher Übertragungen beträchtlich, um eine effiziente Lösung des betrachteten Problems sicherzustellen.German
Uncontrolled Keywords: Reliability, Tunable Reliability, Framework for Information Transport, WSN, Wireless Sensor Networks
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Reliability, Tunable Reliability, Framework for Information Transport, WSN, Wireless Sensor NetworksEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik
Fachbereich Informatik > Dependable, Embedded Systems & Software Group (DEEDS Group)
Date Deposited: 08 Jun 2010 10:15
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21840
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Identification Number: FB20
Referees: Suri, Prof. Dr. Neeraj and Hähner, Prof. Dr. Jörg
Refereed: 1 June 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2184
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