Efficient Algorithm for Serial Data Fusion in Wireless - PowerPoint PPT Presentation

Efficient ¡Algorithm ¡for ¡Serial ¡Data ¡ Fusion ¡in ¡Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡ A. ¡Mostefaoui 1 , ¡M. ¡Melkemi 2 ¡and ¡A. ¡Boukerche 3 ¡ ¡ 1 University ¡of ¡Franche-­‑Comté, ¡France ¡ 2 University ¡of ¡haute ¡Alsace, ¡France ¡ 3 University ¡of ¡OBawa, ¡Canada. ¡ ¡

Query ¡Processing ¡in ¡WSN ¡ ObjecFve ¡: ¡answer ¡queries ¡like: ¡“what ¡is ¡the ¡average ¡temperature ¡in ¡ the ¡monitored ¡area?” ¡ ¡ • Warehouse ¡approaches: ¡raw ¡data ¡is ¡first ¡sent ¡to ¡the ¡sink ¡before ¡ query ¡processing; ¡i.e., ¡two ¡independent ¡processes. ¡ ¡ – Query ¡precision. ¡ – OveruFlizaFon ¡of ¡the ¡network ¡resources ¡and ¡poor ¡scalability. ¡ • In-­‑network ¡centralized ¡approaches: ¡a ¡tree ¡rooted ¡at ¡the ¡sink ¡is ¡ constructed ¡and ¡data ¡is ¡aggregated ¡in ¡intermediate ¡nodes. ¡ ¡ – Reduced ¡uFlizaFon ¡of ¡network ¡resources ¡in ¡comparison ¡to ¡warehouse ¡ approach, ¡ – Vulnerability ¡and ¡poor ¡scalability. ¡ ¡ ¡ 2 ¡

Query ¡Processing ¡in ¡WSN ¡ • Distributed ¡approaches: ¡derive ¡an ¡esFmate ¡of ¡a ¡parameter ¡ or ¡funcFon ¡of ¡interest ¡from ¡raw ¡(sensed) ¡data. ¡The ¡ esFmate ¡is ¡successively ¡(i.e., ¡iteraFvely) ¡carried ¡out ¡ through ¡local ¡computaFons ¡from ¡the ¡exchanged ¡data ¡ between ¡immediate ¡neighbors. ¡ ¡ – No ¡central ¡base ¡staFon ¡is ¡required, ¡ – MulF-­‑hop ¡communicaFons ¡are ¡avoided ¡(no ¡need ¡to ¡maintain ¡ rooFng ¡data), ¡ ¡ – Robustness ¡and ¡good ¡scalability. ¡ ¡ – Important ¡communicaFons ¡consumpFon ¡to ¡reach ¡the ¡ convergence, ¡ – Query ¡response ¡Fme ¡parFcularly ¡important ¡due ¡to ¡their ¡ iteraFve ¡nature ¡on ¡one ¡hand ¡and ¡to ¡the ¡number ¡of ¡packet ¡ collision ¡they ¡generate ¡on ¡the ¡other ¡hand. ¡ ¡ ¡ ¡ 3 ¡

Query ¡Processing ¡in ¡WSN ¡ • Serial ¡approaches: ¡the ¡esFmate ¡is ¡successively ¡(i.e., ¡serially) ¡ updated ¡from ¡node ¡to ¡node ¡unFl ¡all ¡nodes ¡in ¡the ¡network ¡ are ¡visited. ¡The ¡last ¡node ¡holds ¡the ¡right ¡esFmate. ¡ ¡ ¡ ¡ – Very ¡efficient ¡in ¡terms ¡of ¡reducing ¡communicaFons ¡compared ¡ to ¡centralized ¡and ¡distributed ¡approaches. ¡ ¡ – Require ¡the ¡construcFon ¡of ¡an ¡Hamiltonian ¡path ¡through ¡the ¡ network ¡(Known ¡to ¡be ¡NP-­‑Complete ¡problem), ¡ – The ¡cost ¡of ¡finding ¡such ¡a ¡path, ¡in ¡a ¡“decentralized” ¡manner ¡to ¡ ensure ¡scalability, ¡is ¡very ¡high, ¡ – High ¡vulnerability ¡ ¡ M. ¡Rabbat ¡and ¡R. ¡Nowak. ¡“QuanFzed ¡incremental ¡algorithms ¡for ¡distributed ¡opFmizaFon”. ¡IEEE ¡Journal ¡on ¡ Selected ¡Areas ¡in ¡CommunicaFons, ¡23(4):798-­‑808, ¡2005. ¡ 4 ¡

Query ¡Processing ¡in ¡WSN ¡ QuesFon: ¡how ¡could ¡serial ¡approaches ¡meet ¡ WSN ¡requirements ¡(i.e., ¡scalability) ¡whilst ¡ maintaining ¡their ¡performances? ¡ ¡ 5 ¡

Outline ¡ • Our ¡approach: ¡Peeling ¡Algorithm ¡(PA) ¡ – PA ¡Overview ¡ – Boundary ¡Traversal ¡Algorithm ¡ – StarFng ¡Node ¡DetecFon ¡ • Proof ¡of ¡Correctness ¡ • Performance ¡EvaluaFon ¡ • Conclusion ¡and ¡Future ¡Works ¡ ¡ 6 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ • Requirements: ¡ – Serial ¡nature, ¡ – Decentralized ¡and ¡Localized: ¡no ¡extra-­‑knowledge ¡ ¡than ¡what ¡is ¡already ¡ available ¡(i.e., ¡informaFon ¡about ¡immediate ¡neighbors ¡and ¡their ¡locaFons) ¡is ¡ used, ¡ – Query ¡Completeness: ¡all ¡nodes ¡contribute ¡in ¡the ¡query; ¡i.e., ¡it ¡should ¡visit ¡all ¡ nodes ¡in ¡the ¡network, ¡ ¡ – Random ¡topology: ¡could ¡handle ¡all ¡network ¡topologies. ¡ ¡ ¡ AssumpFons: ¡ • – Nodes ¡know ¡their ¡geographical ¡locaFons ¡and ¡those ¡of ¡their ¡immediate ¡ neighbors, ¡ – All ¡nodes ¡are ¡connected ¡(network ¡connecFvity), ¡ – The ¡Query ¡IniFator ¡Node ¡(QIN) ¡could ¡be ¡any ¡node ¡in ¡the ¡network ¡(oken ¡the ¡ sink). ¡ 7 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ DefiniFons: ¡ ¡ Network Boundary ¡ N i ¡ Hole Boundary ¡ N ¡ ¡ N Hole Boundary j ¡ Nodes Network Boundary ¡ Nodes ¡ ¡ ¡ Boundary ¡Traversal ¡Algorithm: ¡whenever ¡started ¡from ¡a ¡boundary ¡node, ¡all ¡ visited ¡nodes ¡belong ¡to ¡the ¡same ¡boundary. ¡ ¡ 8 ¡ ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ ¡ ¡External ¡Boundary ¡ 9 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ ¡ 10 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ ¡ 11 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ 12 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ ¡ 13 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ ¡ 14 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Overview: ¡ StarFng ¡Node ¡ ¡ Ending ¡Node ¡ Well ¡suitable ¡for ¡dense ¡and ¡hole ¡free ¡topologies ¡ 15 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Problem: ¡unvisited ¡region ¡disconnecFvity ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ Ending ¡Node ¡ 16 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡bridge ¡node ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ 17 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Problem: ¡looping ¡around ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ 18 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 19 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 20 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 21 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 22 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 23 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 24 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 25 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 26 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 27 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 28 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 29 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 30 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ HGN ¡ 31 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ SoluFon: ¡breaking ¡holes ¡ ¡ StarFng ¡Node ¡ Ending ¡Node ¡ HGN ¡ 32 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ 14 15 13 Hole 1 16 18 Broken links 12 17 Problem: ¡imbricated ¡holes ¡(False ¡HGN) ¡ 7 Previous 8 11 Node Hole 2 6 1 9 True HGN 10 5 2 4 3 (a) False HGN 14 15 13 Hole 1 16 18 Broken links 12 17 7 SoluFon: ¡Hole ¡Control ¡Packet ¡ 8 11 Hole 2 6 launched ¡by ¡the ¡HGN ¡ 1 9 10 5 2 4 3 Hole Control (b) Packet (HCP) 33 ¡

Outline ¡ • Our ¡approach: ¡Peeling ¡Algorithm ¡(PA) ¡ – PA ¡Overview ¡ – Boundary ¡Traversal ¡Algorithm ¡ – StarFng ¡Node ¡DetecFon ¡ • Proof ¡of ¡Correctness ¡ • Performance ¡EvaluaFon ¡ • Conclusion ¡and ¡Future ¡Works ¡ 34 ¡

Peeling ¡Algorithme ¡ Boundary ¡Traversal ¡Algorithm: ¡ ¡ Boundary N 1 CS N 3 N 2 N 4 Starting Points A. ¡Mostefaoui, ¡M. ¡Melkemi ¡and ¡A. ¡Boukerche ¡“ Localized ¡Rou-ng ¡Approach ¡to ¡Bypass ¡Holes ¡ in ¡Wireless ¡Sensor ¡Networks” ¡IEEE ¡TransacFons ¡on ¡Computers, ¡to ¡apprear. ¡ ¡ 35 ¡