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Bounded-Distance Multi-Coverage
  Backbones in Wireless Sensor
           Networks



           Dalton Cézane
Introdução
   Controle de topologia + WSN → Desempenho;
   Primeiro trabalho a apresentar estas soluções;
   Problema (k, r)-CDS (redundância e confiabilidade);
   Soluções: centralizada e distribuída;
   Comparação das soluções.
Redes de sensores sem fio
   Avanços dos processadores de baixo consumo,
    sensores, sistemas embarcados e comunicação sem
    fio;
   Grande número de nós sensores (compactos e
    autônomos);
   Unidade de processamento, fonte de energia, sensor
    e dispositivo de comunicação;
   Grande uso em aplicações militares, industriais e
    ambientais.
Controle de topologia
   Controle de topologia com backbone – roteamento e
    broadcasting;
   ”Desligamento” de alguns nós (consumo/vida útil);
   Redução de nós ativos: reduz colisões de pacotes
    (QoS);
   Em redes Ad Hoc e WSN (Wireless Sensor
    Networks): variante do ”Conjunto Dominante
    Conectado” (CDS);
   Confiança/confiabilidade.
(k, r)-CDS
   Proposta:
       Múltipla dominação – k membros (mínimo);
       Cobertura – r hops de distância (máximo);
       Solução centralizada;
       Solução distribuída.
Solução centralizada
   Conhecimento da topologia da rede;
   Cores no algoritmo: branca, cinza e preta;
   Algoritmo:
       Todos os nós brancos;
       Nó com maior vizinhança → preto (empate: id);
       Nós adjacentes ao preto → cinza;
       Nó cinza com > n° nós brancos → preto (empate: id);
       Falta de nós brancos → nó com mais vizinhos cinzas;
       Finaliza quando todos os nós satisfizerem o (k, r)-CDS.
Exemplo – solução centralizada
Solução distribuída
   Sem conhecimento da topologia da rede: apenas
    vizinhos com distância até r-hops;
   Estende o (k, r)-DS, para redes ad hoc;
   Uso de estação base;
   Conhecimento vizinhança a r-hop (s).
Solução distribuída
   Algoritmo:
       BS envia IM aos vizinhos, informando distância à base;
       Nós atualizam dBS e a anunciam com nova IM;
       Se IM possui menor dBS, nó reenvia aos vizinhos;
       Backbone → k nós mais próximos ao BS com menor dBS
        (empates: nó com maior grau, depois ID);
       BS cria e envia, aos vizinhos, EM com uma lista de BM;
       Processo similar aos demais nós, mas escolhem-se nós
        pertencentes ou adjacentes ao backbone (CDS);
       Atualiza a lista de BM, na EM, e retransmite aos vizinhos;
       NM enviada os novos nós eleitos (notificação);
       Processo se repete até todos os nós elegerem seus BM.
Exemplo – Solução distribuída
Desempenho
   Comparação entre soluções no simulador;
   Topologias baseadas no modelo unit disk graph;
   Assumiu-se protocolo sem colisão, com todas as
    transmissões com sucesso;
   Topologias estáticas;
   Solução tomada como “ótima”: centralizada;
   Repetição de experimentos (30 vezes), variando
    parâmetros (k, r);
Desempenho
   Dois cenários: um denso e outro esparso;
   Métricas utilizadas: sobrecarga de mensagens de
    controle e número total de nós no backbone;
   Sobrecarga de mensagens de controle:
       Solução centralizada → O(n2);
       Solução distribuída → O(n.r);
   Número de backbones:
       Solução centralizada → menor em ambos os cenários;
       Solução distribuída → semelhante no cenário 2.
Desempenho
Desempenho: cenário 1
Desempenho
Desempenho
Conclusão
   Primeira solução do gênero;
   Redundância requerida pelas WSNs;
   Nova base para o projeto de outros protocolos;
   Soluções: centralizada e distribuída;
   Trabalhos futuros:
       Mecanismo de poda (processo de eleição);
       Outras métricas de cobertura (processo de eleição);
       Balanceamento de carga. *
Referência
   Sausen, P. S.; Spohn, M. A.; Lima, A. M. N.;
    Perkusich, A. Bounded-Distance Multi-Coverage
    Backbones in Wireless Sensor Networks.
    Proceedings of the 2007 ACM symposium on
    Applied computing. New York, NY, USA, 2007.

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  • 1. Bounded-Distance Multi-Coverage Backbones in Wireless Sensor Networks Dalton Cézane
  • 2. Introdução  Controle de topologia + WSN → Desempenho;  Primeiro trabalho a apresentar estas soluções;  Problema (k, r)-CDS (redundância e confiabilidade);  Soluções: centralizada e distribuída;  Comparação das soluções.
  • 3. Redes de sensores sem fio  Avanços dos processadores de baixo consumo, sensores, sistemas embarcados e comunicação sem fio;  Grande número de nós sensores (compactos e autônomos);  Unidade de processamento, fonte de energia, sensor e dispositivo de comunicação;  Grande uso em aplicações militares, industriais e ambientais.
  • 4. Controle de topologia  Controle de topologia com backbone – roteamento e broadcasting;  ”Desligamento” de alguns nós (consumo/vida útil);  Redução de nós ativos: reduz colisões de pacotes (QoS);  Em redes Ad Hoc e WSN (Wireless Sensor Networks): variante do ”Conjunto Dominante Conectado” (CDS);  Confiança/confiabilidade.
  • 5. (k, r)-CDS  Proposta:  Múltipla dominação – k membros (mínimo);  Cobertura – r hops de distância (máximo);  Solução centralizada;  Solução distribuída.
  • 6. Solução centralizada  Conhecimento da topologia da rede;  Cores no algoritmo: branca, cinza e preta;  Algoritmo:  Todos os nós brancos;  Nó com maior vizinhança → preto (empate: id);  Nós adjacentes ao preto → cinza;  Nó cinza com > n° nós brancos → preto (empate: id);  Falta de nós brancos → nó com mais vizinhos cinzas;  Finaliza quando todos os nós satisfizerem o (k, r)-CDS.
  • 7. Exemplo – solução centralizada
  • 8. Solução distribuída  Sem conhecimento da topologia da rede: apenas vizinhos com distância até r-hops;  Estende o (k, r)-DS, para redes ad hoc;  Uso de estação base;  Conhecimento vizinhança a r-hop (s).
  • 9. Solução distribuída  Algoritmo:  BS envia IM aos vizinhos, informando distância à base;  Nós atualizam dBS e a anunciam com nova IM;  Se IM possui menor dBS, nó reenvia aos vizinhos;  Backbone → k nós mais próximos ao BS com menor dBS (empates: nó com maior grau, depois ID);  BS cria e envia, aos vizinhos, EM com uma lista de BM;  Processo similar aos demais nós, mas escolhem-se nós pertencentes ou adjacentes ao backbone (CDS);  Atualiza a lista de BM, na EM, e retransmite aos vizinhos;  NM enviada os novos nós eleitos (notificação);  Processo se repete até todos os nós elegerem seus BM.
  • 10. Exemplo – Solução distribuída
  • 11. Desempenho  Comparação entre soluções no simulador;  Topologias baseadas no modelo unit disk graph;  Assumiu-se protocolo sem colisão, com todas as transmissões com sucesso;  Topologias estáticas;  Solução tomada como “ótima”: centralizada;  Repetição de experimentos (30 vezes), variando parâmetros (k, r);
  • 12. Desempenho  Dois cenários: um denso e outro esparso;  Métricas utilizadas: sobrecarga de mensagens de controle e número total de nós no backbone;  Sobrecarga de mensagens de controle:  Solução centralizada → O(n2);  Solução distribuída → O(n.r);  Número de backbones:  Solução centralizada → menor em ambos os cenários;  Solução distribuída → semelhante no cenário 2.
  • 17. Conclusão  Primeira solução do gênero;  Redundância requerida pelas WSNs;  Nova base para o projeto de outros protocolos;  Soluções: centralizada e distribuída;  Trabalhos futuros:  Mecanismo de poda (processo de eleição);  Outras métricas de cobertura (processo de eleição);  Balanceamento de carga. *
  • 18. Referência  Sausen, P. S.; Spohn, M. A.; Lima, A. M. N.; Perkusich, A. Bounded-Distance Multi-Coverage Backbones in Wireless Sensor Networks. Proceedings of the 2007 ACM symposium on Applied computing. New York, NY, USA, 2007.