TU Darmstadt / ULB / TUprints

On Maximizing the Efficiency of Multipurpose WSNs Through Avoidance of Over- or Under-Provisioning of Information

Mysore Sachidananda, Vinay :
On Maximizing the Efficiency of Multipurpose WSNs Through Avoidance of Over- or Under-Provisioning of Information.
TU Prints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

[img]
Preview
Text
Thesis_Ganesha_Vinay_2014.pdf
Available under Only rights of use according to UrhG.

Download (3MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: On Maximizing the Efficiency of Multipurpose WSNs Through Avoidance of Over- or Under-Provisioning of Information
Language: English
Abstract:

A wireless sensor network (WSN) is a distributed collection of sensor nodes, which are resource constrained and capable of operating with minimal user attendance. The core function of a WSN is to sample physical phenomena and their environment and transport the information of interest, such as current status or events, as required by the application. Furthermore, the operating conditions and/or user requirements of WSNs are often desired to be evolvable, either driven by changes of the monitored phenomena or by the properties of the WSN itself. Consequently, a key objective for setting up/configuring WSNs is to provide the desired information subject to user defined quality requirements (accuracy, reliability, timeliness etc.), while considering their evolvability at the same time.

The current state of the art only addresses the functional blocks of sampling and information transport in isolation. The approaches indeed assume the respective other block to be perfect in maintaining the highest possible information contribution. In addition, some of the approaches just concentrate on a few information attributes such as accuracy and ignore other attributes (e.g., reliability, timeliness, etc.). The existing research targeting these blocks usually tries to enhance the information quality requirements (accuracy, reliability, timeliness etc.), regardless of user requirements and use more resources, leading to faster energy depletion. However, we argue that it is not always necessary to provide the highest possible information quality. In fact, it is essential to avoid under or over provision of information in order to save valuable resources such as energy while just satisfying user evolvable requirements. More precisely, we show the interdependence of the different user requirements and how to co-design them in order to tune the level of provisioning.

To discern the fundamental issues dictating the tunable co-design in WSNs, this thesis models and co-designs the sampling accuracy, information transport reliability and timeliness, and compares existing techniques. We highlight the key problems of existing techniques and provide solutions to achieve desired application requirements without under or over provisioning of information.

Our first research direction is to provide tunable information transport. We show that it is possible to drastically improve efficiency, while satisfying the user evolvable requirements on reliability and timeliness. In this regard, we provide a novel timeliness model and show the tradeoff between the reliability and timeliness. In addition, we show that the reliability and timeliness can work in composition for maximizing efficiency in information transport. Second, we consider the sampling and information transport co-design by just considering the attributes spatial accuracy and transport reliability. We provide a mathematical model in this regard and then show the optimization of sampling and information transport co-design. The approach is based on optimally choosing the number of samples in order to minimize the number of retransmission in the information transport while maintaining the required reliability. Third, we consider representing the physical phenomena accurately and optimize the network performance. Therefore, we jointly model accuracy, reliability and timeliness, and then derive the optimal combination of sampling and information transport. We provide an optimized model to choose the right representative sensor nodes to describe the phenomena and highlight the tunable co-design of sampling and information transport by avoiding over or under provision of information.

Our simulation and experimental results show that the proposed tunable co-design supports evolving user requirements, copes with dynamic network properties and outperforms the state of the art solutions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ein Sensornetz (Wireless Sensor Network, WSN) ist ein Netzwerk zufällig oder gewollt verteilter und miteinander verbundener Sensorknoten, welche nur über eingeschränkte Resourcen verfügen und mit minimaler menschlicher Überwachung agieren. Die Hauptaufgabe eines Sensornetzes ist das Sammeln von Messdaten über physikalische Ereignisse und die Übertragung der daraus folgenden und von der Anwendung erforderten Information über dieses Ereignis. Für den praktischen Einsatz ist es von Vorteil, wenn sowohl diese Anforderungen, als auch die Betriebsbedingungen der Sensoren im laufenden Betrieb verändert und an neue Bedingungen, sei es durch Veränderungen des beobachteten Ereignisses oder des WSNs selbst, angepasst werden können. Entsprechend ist die Bereitstellung der gewünschten Informationen gemäß der Nutzeranforderungen (z.B. bzgl. Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Pünktlichkeit, etc.) bei gleichzeitiger Berücksichtigung ihrer Veränderbarkeit eines der Hauptziele bei der Einrichtung von WSNs. Aktuelle Techniken betrachten die funktionellen Blöcke der Datenerhebung und der Übermittlung dieser Daten lediglich getrennt voneinander. Tatsächlich wird angenommen, dass der jeweils andere Block perfekt und verlustfrei operiert. Darüber hinaus betrachten einige Ansätze nur einzelne Informationsaspekte (z.B. Genauigkeit), während andere Aspekte schlicht ignoriert werden. Bestehende Forschungsarbeiten versuchen diese Blöcke für gewöhnlich dadurch umzusetzen, indem die Qualität der entsprechenden Informationsaspekte (Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Pünktlichkeit) durch die Nutzung zusätzlicher Ressourcen verbessert wird, ungeachtet der tatsächlichen Nutzeranforderungen, was eine noch schnellere Erschöpfung der verfügbaren Energie zur Folge hat. Wir behaupten, dass es nicht notwendig ist immer die bestmögliche Informationsqualität bereitzustellen. Vielmehr ist es wichtiger die Bereitstellung sowohl zu geringer als auch zu hoher Qualität zu vermeiden, um wertvolle Ressourcen (wie Energie) dadurch einzusparen, dass Nutzeranforderungen exakt erfüllt werden. Um das zu erreichen, erarbeiten wir die Wechselbeziehungen der verschiedenen Nutzeranforderungen und zeigen wie ihre Umsetzung in Abhängigkeit voneinander gestaltet werden kann, um den Grad der Bereitstellung präzise steuern zu können. Um die grundlegenden Probleme zu erkennen, die eine gemeinsame Gestaltung der verschiedenen funktionalen Blöcke (Co-Design) bestimmen und erforderlich machen, erstellt diese Arbeit Modelle für die Genauigkeit, die Übertragung und die Pünktlichkeit von Informationen und vergleicht bestehende Techniken. Wir zeigen die Hauptprobleme dieser Techniken auf und erarbeiten Lösungen, um die gewünschten Anwendungsanforderungen zu erreichen ohne Unter- oder eine Überversorgung von Informationen zu erzeugen. Unser erster Forschungsbeitrag behandelt die steuerbare Übertragung von Informationen. Wir zeigen, dass es möglich ist die Energieeffizienz zu erhöhen und dabei dennoch sich verändernde Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit und Pünktlichkeit zu erfüllen. Dafür entwickeln wir ein neues Pünktlichkeits-Modell an dem wir sowohl den Konflikt zwischen Zuverlässigkeit und Pünktlichkeit zeigen, als auch wie Zuverlässigkeit und Pünktlichkeit kombiniert werden können, um die Effizienz zu maximieren. Als nächstes behandeln wir die gemeinsame Gestaltung von Datenerhebung und Datenübertragung, wobei wir nur die Aspekte der räumlichen Exaktheit und der Übertragungszuverlässigkeit betrachten. Hier entwickeln wir ein mathematisches Modell zur Optimierung des Co-Designs von Genauigkeit der Datenerhebung und Zuverlässigkeit der Datenübertragung. In diesem Ansatz wird die Anzahl der Stichproben optimal so gewählt, dass die maximale Anzahl aller Übertragungen minimiert wird, während die gewünschte Zuverlässigkeit dennoch gewährleistet werden kann. Schließlich betrachten wir die genaue Repräsentation des physikalischen Phänomens und optimieren die Gesamtleistung des Netzwerks. Dafür erstellen wir ein Modell, welches sowohl Genauigkeit, Zuverlässigkeit als auch Pünktlichkeit berücksichtigt und leiten daraus die optimale Kombination von Stichproben und Übertragungsversuchen ab. Genauer gesagt ermöglicht dieses Modell genau jene Sensorknoten auszuwählen, mit denen das zu messende Ereignis am effizientesten repräsentiert werden kann, sodass die Nutzeranforderungen eingehalten werden können, ohne dass zu viele Informationen bereitgestellt werden. Damit unterstreichen wir die Bedeutung und Praktikabilität eines steuerbaren Co-Designs. Unsere Simulation sowie die Ergebnisse unserer Experimente/Berechnungen zeigen, dass das vorgeschlagene Co-Design die sich ändernden Nutzeranforderungen unterstützt, der dynamischen Netzwerkeigenschaften gerecht wird und den Stand der Technik übertrifft.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Prints
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Embedded Systems and Applications
Date Deposited: 28 Oct 2014 07:03
Last Modified: 28 Oct 2014 07:08
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42070
Referees: Van Laerhoven, Prof. Dr. Kristof and Hollick, Prof. Dr. Matthias and Steinmetz, Prof. Dr. Ralf
Refereed: 13 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4207
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year