Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

Resilient Wireless Sensor Networks Using Topology Control: A Review

Wireless sensor networks (WSNs) may be deployed in failure-prone environments, and WSNs nodes easily fail due to unreliable wireless connections, malicious attacks and resource-constrained features. Nevertheless, if WSNs can tolerate at most losing k − 1 nodes while the rest of nodes remain connected, the network is called k − connected. k is one of the most important indicators for WSNs’ self-healing capability. Following a WSN design flow, this paper surveys resilience issues from the topology control and multi-path routing point of view. This paper provides a discussion on transmission and failure models, which have an important impact on research results. Afterwards, this paper reviews theoretical results and representative topology control approaches to guarantee WSNs to be k − connected at three different network deployment stages: pre-deployment, post-deployment and re-deployment. Multi-path routing protocols are discussed, and many NP-complete or NP-hard problems regarding topology control are identified. The challenging open issues are discussed at the end. This paper can serve as a guideline to design resilient WSNs.

Multiple feature points representation in target localization of wireless visual sensor networks

This paper discusses the target localization problem in wireless visual sensor networks. Additive noises and measurement errors will affect the accuracy of target localization when the visual nodes are equipped with low-resolution cameras. In the goal of improving the accuracy of target localization without prior knowledge of the target, each node extracts multiple feature points from images to represent the target at the sensor node level. A statistical method is presented to match the most correlated feature point pair for merging the position information of different sensor nodes at the base station. Besides, in the case that more than one target exists in the field of interest, a scheme for locating multiple targets is provided. Simulation results show that, our proposed method has desirable performance in improving the accuracy of locating single target or multiple targets. Results also show that the proposed method has a better trade-off between camera node usage and localization accuracy.

MIRACLE at Ad-Hoc CLEF 2005: Merging and Combining Without Using a Single Approach

This paper presents the 2005 Miracle’s team approach to the Ad-Hoc Information Retrieval tasks. The goal for the experiments this year was twofold: to continue testing the effect of combination approaches on information retrieval tasks, and improving our basic processing and indexing tools, adapting them to new languages with strange encoding schemes. The starting point was a set of basic components: stemming, transforming, filtering, proper nouns extraction, paragraph extraction, and pseudo-relevance feedback. Some of these basic components were used in different combinations and order of application for document indexing and for query processing. Second-order combinations were also tested, by averaging or selective combination of the documents retrieved by different approaches for a particular query. In the multilingual track, we concentrated our work on the merging process of the results of monolingual runs to get the overall multilingual result, relying on available translations. In both cross-lingual tracks, we have used available translation resources, and in some cases we have used a combination approach.

Secure neighbor discovery in wireless sensor networks using range-free localization techniques

Si una red inalámbrica de sensores se implementa en un entorno hostil, las limitaciones intrínsecas a los nodos conllevan muchos problemas de seguridad. En este artículo se aborda un ataque particular a los protocolos de localización y descubrimiento de vecinos, llevada a cabo por dos nodos que actúan en connivencia y establecen un "agujero de gusano" para tratar de engañar a un nodo aislado, haciéndole creer que se encuentra en la vecindad de un conjunto de nodos locales. Para contrarrestar este tipo de amenazas, se presenta un marco de actuación genéricamente denominado "detection of wormhole attacks using range-free methods" (DWARF) dentro del cual derivamos dos estrategias para de detección de agujeros de gusano: el primer enfoque (DWARFLoc) realiza conjuntamente la localización y la detección de ataques, mientras que el otro (DWARFTest) valida la posición estimada por el nodo una vez finalizado el protocolo de localización. Las simulaciones muestran que ambas estrategias son eficaces en la detección de ataques tipo "agujero de gusano", y sus prestaciones se comparan con las de un test convencional basado en la razón de verosimilitudes.

Un modelo de encaminamiento en las redes móviles ad hoc con QoS

En la última década ha aumentado en gran medida el interés por las redes móviles Ad Hoc. La naturaleza dinámica y sin infraestructura de estas redes, exige un nuevo conjunto de algoritmos y estrategias para proporcionar un servicio de comunicación fiable extremo a extremo. En el contexto de las redes móviles Ad Hoc, el encaminamiento surge como una de las áreas más interesantes para transmitir información desde una fuente hasta un destino, con la calidad de servicio de extremo a extremo. Debido a las restricciones inherentes a las redes móviles, los modelos de encaminamiento tradicionales sobre los que se fundamentan las redes fijas, no son aplicables a las redes móviles Ad Hoc. Como resultado, el encaminamiento en redes móviles Ad Hoc ha gozado de una gran atención durante los últimos años. Esto ha llevado al acrecentamiento de numerosos protocolos de encaminamiento, tratando de cubrir con cada uno de ellos las necesidades de los diferentes tipos de escenarios. En consecuencia, se hace imprescindible estudiar el comportamiento de estos protocolos bajo configuraciones de red variadas, con el fin de ofrecer un mejor encaminamiento respecto a los existentes. El presente trabajo de investigación muestra precisamente una solución de encaminamiento en las redes móviles Ad Hoc. Dicha solución se basa en el mejoramiento de un algoritmo de agrupamiento y la creación de un modelo de encaminamiento; es decir, un modelo que involucra la optimización de un protocolo de enrutamiento apoyado de un mecanismo de agrupación. El algoritmo mejorado, denominado GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) y basado en el WCA (Weighted Clustering Algorithm), permite calcular el mejor número y tamaño de grupos en la red. Con esta mejora se evitan constantes reagrupaciones y que los jefes de clústeres tengan más tiempo de vida intra-clúster y por ende una estabilidad en la comunicación inter-clúster. En la tesis se detallan las ventajas de nuestro algoritmo en relación a otras propuestas bajo WCA. El protocolo de enrutamiento Ad Hoc propuesto, denominado QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), utiliza como estrategia el empleo de clúster y jerarquías apoyada en el algoritmo de agrupamiento. Cada clúster tiene un jefe de clúster (JC), quien administra la información de enrutamiento y la envía al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para evitar que haya constantes reagrupamientos y llamados al algoritmo de agrupamiento se consideró agregarle un jefe de cluster de soporte (JCS), el que asume las funciones del JC, siempre y cuando este haya roto el enlace con los otros nodos comunes del clúster por razones de alejamiento o por desgaste de batería. Matemáticamente y a nivel de algoritmo se han demostrado las mejoras del modelo propuesto, el cual ha involucrado el mejoramiento a nivel de algoritmo de clustering y del protocolo de enrutamiento. El protocolo QoSG-CBRP, se ha implementado en la herramienta de simulación Network Simulator 2 (NS2), con la finalidad de ser comparado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con un protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). Estos protocolos fueron elegidos por ser los que mejor comportamiento presentaron dentro de sus categorías. Además de ofrecer un panorama general de los actuales protocolos de encaminamiento en redes Ad Hoc, este proyecto presenta un procedimiento integral para el análisis de capacidades de la propuesta del nuevo protocolo con respecto a otros, sobre redes que tienen un alto número de nodos. Estas prestaciones se miden en base al concepto de eficiencia de encaminamiento bajo parámetros de calidad de servicio (QoS), permitiendo establecer el camino más corto posible entre un nodo origen y un nodo destino. Con ese fin se han realizado simulaciones con diversos escenarios para responder a los objetivos de la tesis. La conclusiones derivadas del análisis de los resultados permiten evaluar cualitativamente las capacidades que presenta el protocolo dentro del modelo propuesto, al mismo tiempo que avizora un atractivo panorama en líneas futuras de investigación. ABSTRACT In the past decade, the interest in mobile Ad Hoc networks has greatly increased. The dynamic nature of these networks without infrastructure requires a new set of algorithms and strategies to provide a reliable end-to-end communication service. In the context of mobile Ad Hoc networks, routing emerges as one of the most interesting areas for transmitting information from a source to a destination, with the quality of service from end-to-end. Due to the constraints of mobile networks, traditional routing models that are based on fixed networks are not applicable to Ad Hoc mobile networks. As a result, the routing in mobile Ad Hoc networks has experienced great attention in recent years. This has led to the enhancement of many routing protocols, trying to cover with each one of them, the needs of different types of scenarios. Consequently, it is essential to study the behavior of these protocols under various network configurations, in order to provide a better routing scheme. Precisely, the present research shows a routing solution in mobile Ad Hoc networks. This solution is based on the improvement of a clustering algorithm, and the creation of a routing model, ie a model that involves optimizing a routing protocol with the support of a grouping mechanism. The improved algorithm called GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) and based on the WCA (Weighted Clustering Algorithm), allows to calculate the best number and size of groups in the network. With this enhancement, constant regroupings are prevented and cluster heads are living longer intra-cluster lives and therefore stability in inter-cluster communication. The thesis details the advantages of our algorithm in relation to other proposals under WCA. The Ad Hoc routing protocol proposed, called QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), uses a cluster-employment strategy and hierarchies supported by the clustering algorithm. Each cluster has a cluster head (JC), who manages the routing information and sends it to the destination when is out of your coverage area. To avoid constant rearrangements and clustering algorithm calls, adding a support cluster head (JCS) was considered. The JCS assumes the role of the JC as long as JC has broken the link with the other nodes in the cluster for common restraining reasons or battery wear. Mathematically and at an algorithm level, the improvements of the proposed model have been showed, this has involved the improvement level clustering algorithm and the routing protocol. QoSG-CBRP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2), in order to be compared with the hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and with the reactive routing protocol Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). These protocols were chosen because they showed the best individual performance in their categories. In addition to providing an overview of existing routing protocols in Ad Hoc networks, this project presents a comprehensive procedure for capacity analysis of the proposed new protocol with respect to others on networks that have a high number of nodes. These benefits are measured based on the concept of routing efficiency under the quality of service (QoS) parameters, thus allowing for the shortest possible path between a source node and a destination node. To meet the objectives of the thesis, simulations have been performed with different scenarios. The conclusions derived from the analysis of the results to assess qualitatively the protocol capabilities presented in the proposed model, while an attractive scenario for future research appears.

Simulating Data Journalism to Communicate Hydrological Information from Sensor Networks

Presenting relevant information via web-based user friendly interfac- es makes the information more accessible to the general public. This is especial- ly useful for sensor networks that monitor natural environments. Adequately communicating this type of information helps increase awareness about the limited availability of natural resources and promotes their better use with sus- tainable practices. In this paper, I suggest an approach to communicating this information to wide audiences based on simulating data journalism using artifi- cial intelligence techniques. I analyze this approach by describing a pioneer knowledge-based system called VSAIH, which looks for news in hydrological data from a national sensor network in Spain and creates news stories that gen- eral users can understand. VSAIH integrates artificial intelligence techniques, including a model-based data analyzer and a presentation planner. In the paper, I also describe characteristics of the hydrological national sensor network and the technical solutions applied by VSAIH to simulate data journalism.