An Approach to Timeliness in Wireless Sensor Network Communications

Ein Ansatz fuer Zeitaspekte in Wireless Sensor Network Kommunikation

  • Wireless Sensor Networks (WSN) are dynamically-arranged networks typically composed of a large number of arbitrarily-distributed sensor nodes with computing capabilities contributing to –at least– one common application. The main characteristic of these networks is that of being functionally constrained due to a scarce availability of resources and strong dependence on uncontrollable environmental factors. These conditions introduce severe restrictions on the applicability of classic real-time methods aiming at guaranteeing time-bounded communications. Existing real-time solutions tend to apply concepts that were originally not conceived for sensor networks, idealizing realistic application scenarios and overlooking at important design limitations. This results in a number of misleading practices contributing to approaches of restricted validity in real-world scenarios. Amending the confrontation between WSNs and real-time objectives starts with a review of the basic fundamentals of existing approaches. In doing so, this thesis presents an alternative approach based on a generalized timeliness notion suitable to the particularities of WSNs. The new conceptual notion allows the definition of feasible real-time objectives opening a new scope of possibilities not constrained to idealized systems. The core of this thesis is based on the definition and application of Quality of Service (QoS) trade-offs between timeliness and other significant QoS metrics. The analysis of local and global trade-offs provides a step-by-step methodology identifying the correlations between these quality metrics. This association enables the definition of alternative trade-off configurations (set points) influencing the quality performance of the network at selected instants of time. With the basic grounds established, the above concepts are embedded in a simple routing protocol constituting a proof of concept for the validity of the presented analysis. Extensive evaluations under realistic scenarios are driven on simulation environments as well as real testbeds, validating the consistency of this approach.
  • Wireless Sensor Networks (WSN) sind dynamisch angeordnete Netzwerke, die typischerweise aus einer großen Anzahl von beliebig verteilten Sensorknoten bestehen, die alle gemeinsam mindestens eine kollektive Aufgabe erfüllen. Restriktionen wegen omnipräsenter Ressourcenknappheit und der starken Abhängigkeit von unkontrollierbaren Umwelteinflüssen sind die Hauptcharakteristiken dieses Netzwerktyps. Diese Besonderheiten führen zu schwerwiegenden Einschränkungen der Anwendbarkeit von klassischen Echtzeitmethoden, die darauf abzielen Timeliness Garantien zu geben. Existierende Lösungen aus der Echtzeitforschung tendieren dazu Konzepte und Methoden anzuwenden, die ursprünglich nicht für diese Art von Systemen entworfen wurden. Dabei führt die Idealisierung typischer Anwendungsszenarien und das Ignorieren essentieller Einschränkungen zu einigen irreführenden Praktiken, die wiederum zu Ergebnissen mit beschränkter Validität in der realen Welt führen. Die Entschärfung des Konflikts zwischen WSNs einerseits und den klassischen Echtzeitzielsetzungen andererseits beginnt mit einer Revision der grundlegenden Prinzipien bereits existierender Herangehensweisen. Auf diese Art und Weise präsentiert die vorliegende Dissertation einen alternativen Denkansatz, der auf einem generalisierten und den speziellen Bedürfnissen von WSNs angepassten Timeliness Verständnis basiert. Diese neue konzeptionelle Vorstellung bildet die Prämisse zur Definition von brauchbaren Echtzeitzielvorstellungen die einen neuen Bereich von Möglichkeiten eröffnen, der durch die idealisierten Vorstellungen bisher nicht abgedeckt wird. Der Schwerpunkt dieser Dissertation besteht aus der Definition und der Anwendung von Quality of Service (QoS) Kompromissen zwischen Timeliness einerseits und anderen signifikanten QoS-Maßstäben andererseits. Die Analyse von lokalen und globalen Kompromissen definiert eine Schritt-für-Schritt-Methodik, die es erlaubt die Korrelationen zwischen diesen Qualitätsmaßstäben zu identifizieren. Diese Assoziation schafft die Voraussetzung zur Definition von alternativen Konfigurationen (set points), die die Performance des Netzwerkes zu bestimmten Zeitpunkten beeinflussen. Nach Einführung der Grundlagen werden die oben erwähnten Konzepte als Machbarkeitsnachweis für die ausführliche Analyse in einfache Routingprotokolle eingebettet. Extensive Evaluierungen unter realistischen Bedingungen wurden sowohl in Simulationsumgebungen als auch in echten Testumgebungen durchgeführt um die Konsistenz dieses Denkansatzes zu validieren.

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Metadaten
Author:Ramon Serna Oliver
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-25543
Advisor:Gerhard Fohler
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2010
Year of Publication:2010
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2010/09/30
Tag:QoS; real-tiem; timeliness; trade-off; wireless sensor network
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $