Organisation-based co-ordination of wireless sensor networks

Abstract

Esta tesis presenta el Coalition Oriented Sensing Algorithm (COSA) como un mecanismo de auto-organización para redes de sensores inalámbricos (WSN). El objetivo del algoritmo es extender la vida útil de la red, al mismo tiempo que la funcionalidad básica de la misma – la monitorización fiel del entorno– también es garantizada. La evaluación del funcionamiento del algoritmo se apoya en una plataforma de simulación novedosa, RepastSNS. La implementación de COSA y la preparación de la plataforma para el desarrollo de los experimentos dan lugar a una estructura software reutilizable. Esta estructura favorece la implementación de futuras ampliaciones del algoritmo, así como su exportación a otros entornos. El uso de las WSNs se ha popularizado en los últimos años. Sus particulares características han favorecido la aplicación de las mismas a múltiples áreas. No obstante, la gestión energética de las WSNs sigue siendo objeto de estudio para los investigadores, que tratan de aliviar las fuertes restricciones que estas presentan en cuanto a disponibilidad de energía se refiere. En esta línea, se han propuesto diversas técnicas para conservación de la energía. La restricción energética es especialmente acusada cuando las WSNs se despliegan en entornos que no permiten la conexión de los nodos a la red ni la recarga de sus baterías. Este es el tipo de entorno considerado para la evaluación de COSA. El caso de uso estudiado considera una WSN desplegada a lo largo de un río navegable con el objetivo de monitorizar el estado del agua y detectar la presencia de polución en ella. La definición de COSA se inspira en el paradigma de los Sistemas Multiagente (MAS) mediante la identificación de los nodos de la WSN con agentes del MAS. COSA define un algoritmo para formación de coaliciones basado en diálogos por parejas de agentes (nodos). El algoritmo está completamente embebido en el comportamiento del agente. Los agentes que implementan COSA se comunican con sus vecinos para intercambiar información sobre su percepción del entorno y su estado. Como resultado de esta comunicación local, los agentes eligen su rol en la organización y establecen relaciones leader-follower. La definición de este tipo de relaciones se basa en dos funciones relacionales y un protocolo de negociación que establece las normas de coordinación. Los agentes se juntan en grupos para compensar la calidad de los datos recogidos y el consumo de energía asociado. Esta habilidad permite adaptar el consumo energético de la red a cambios en el entorno, al mismo tiempo que se satisfacen los objetivos de muestreo en cuanto a calidad de la información enviada al sink se refiere. Los resultados experimentales obtenidos apoyan las hipótesis preliminares en cuanto al comportamiento de COSA. A partir de estos resultados también se pone de manifiesto la relación existente entre la coordinación local y las ganancias obtenidas por el uso de COSA.

This thesis introduces the Coalition Oriented Sensing Algorithm (COSA) as a self-organisation mechanism for Wireless Sensor Networks (WSNs). This algorithm aims at extending the network lifetime at the same time that the primary goal of the network –faithfully monitoring the environment– is also guaranteed. The evaluation of the algorithm performance is based on a novel simulator, RepastSNS. The implementation of COSA and the development of its experimental setup define a reusable software structure to work over this simulation environment. It also favours the performance of future enhancements of the algorithm as well as its exportation. The use of WSNs has become widespread in the last years. The special characteristics of these networks have favoured their application to many different areas. One of the major concerns about WSNs refers to their energy management, as they are typically constraint in energy availability. This problem has gained the attention of researchers that try to improve this aspect of the WSNs by defining network energy conservation strategies. This constraint becomes especially acute when the network deployment environment does not allow for battery replenishment or node connection to the net. This is the case of the environment considered for COSA evaluation. The use case considered is a WSN deployed along a waterway in order to monitor the state of the water and detect the presence of pollutant sources. The definition of COSA is inspired by the Multiagent Systems (MAS) paradigm through the identification of nodes in a WSN with agents in a MAS. COSA defines a coalition formation algorithm based on peer-to-peer dialogues between neighbouring agents (nodes). The algorithm is completely embedded into the agent behaviour. Agents implementing COSA communicate with its neighbours to exchange information about their perception of the environment and their state. As a result of this local communication, agents select the role to play in the organisation and can then establish leader-follower relationships. The establishment of these peer-to-peer relationships is based on two relational functions and a negotiation protocol that lays down the norms of this co-ordination. Agents join in groups in order to trade off the accuracy of the sensed data and their energy consumption. As a consequence, COSA endows the network with self-organisation capacity. This ability is used to adapt energy consumption to changes in the environment and, at the same time, to fulfil sampling objectives in terms of the quality of the information reported to the sink. The results derived from experimentation support preliminary hypotheses about COSA good performance. They also provide insights on the relationship between local co-ordination and the gains obtained from COSA’s use.