A group-based architecture and protocol for wireless sensor networks
Miguel García · 2013
There are many works related to wireless sensor networks (WSNs) where authors present new protocols with better or enhanced features, others just compare their performance or present an application, but this work tries to provide a different perspective.Why don't we see the network as a whole and split it into groups to give better network performance regardless of the routing protocol?For this reason, in this thesis we demonstrate through simulations that node's grouping feature in WSN improves the network's behavior.We propose the creation of a group-based architecture, where nodes have the same functionality within the network.Each group has a head node, which defines the area in which the nodes of such group are located.Each node has a unique node identifier (nodeID).First group's node makes a group identifier (groupID).New nodes will know their groupID and nodeID of their neighbors.End nodes are, physically, the nodes that define a group.When there is an event on a node, this event is sent to all nodes in its group in order to take an appropriate action.End nodes have connections to other end nodes of neighboring groups and they will be used to send data to other groups or to receive information from other groups and to distribute it within their group.Links between end nodes of different groups are established mainly depending on their position, but if there are multiple possibilities, neighbor nodes could be selected based on their ability λ, being λ a choice parameter taking into account several network and nodes parameters.In order to set group's boundaries, we can consider two options, namely: i) limiting the group's diameter of a maximum number of hops, and ii) establishing boundaries of covered area.In order to improve the proposed group-based architecture, we add collaboration between groups.A collaborative group-based network gives better performance to the group and to the whole system, thereby avoiding unnecessary message forwarding and additional overheads while saving energy.Grouping nodes also diminishes the average network delay while allowing scaling the network considerably.In order to offer an optimized monitoring process, and in order to offer the best reply in particular environments, group-based collaborative systems are needed.They will simplify the monitoring needs while offering direct control.Finally, we propose a marine application where a variant of this groupbased architecture could be applied and deployed.A Group-based Architecture for Wireless Sensor Networks v RESUM Existeixen molts treballs relacionats amb les xarxes de sensors sense fils (WSNs), on es presenten nous protocols que aporten millores, altres treballs on es comparen per veure el seu rendiment o fins i tot presenten noves aplicacions, però aquest treball aporta un altre punt de vista.Per què no veure la xarxa com un conjunt que es divideix en grups per aportar un millor rendiment independentment del protocol d'encaminament utilitzat?Per això, en aquesta tesi, demostrem a través de simulacions, que l'agrupació de nodes en WSNs aporta millores.Proposem la creació d'una arquitectura basada en grups, on tots els nodes tenen la mateixa funcionalitat.Cada grup té un node head que delimita la zona on hi estaran els nodes d'un grup.Cada node té un identificador únic de node (nodeID) i el primer node de grup crearà un identificador de grup (groupID).Els nous nodes que s'uneixin sabran seva groupID i el nodeID dels seus veïns.Els nodes end són, físicament, els nodes que delimiten el grup.Quan hi ha un esdeveniment en un node, aquest esdeveniment s'envia a tots els nodes del seu grup per tal de prendre les mesures adequades.Els nodes end tenen connexions amb altres nodes end dels grups veïns i s'utilitzen per enviar/rebre informació a/d'altres grups.Els enllaços entre nodes end de diferents grups s'estableixen principalment en funció de la seva posició, però si hi ha diverses possibilitats, els veïns es seleccionen en funció de la seva capacitat λ, paràmetre d'elecció que té en compte diversos paràmetres de la xarxa i els nodes.Per establir els límits del grup, podem considerar dues opcions: i) limitar el diàmetre del grup, i ii) establir els límits de la zona coberta.Per a millorar l'arquitectura proposada afegim col•laboració entre grups.Una xarxa basada en grups col•laborativa dóna major rendiment al grup i a tota la xarxa, evitant reenviament de missatges innecessaris i per tant un major estalvi d'energia.L'agrupament de nodes també fa disminuir el retard mitjà de la xarxa mentre permet que la xarxa escales considerablement.Per poder oferir un optimitzat procés de monitorització, i amb la finalitat d'obtenir la millor resposta a determinats ambients, són necessaris els sistemes col•laboratius basats en grups.Aquest tipus de sistemes simplificaran les necessitats de monitorització mentre aporten un control directe.Finalment, es proposa una possible aplicació marítima on podria implementar-se una variant d'aquesta arquitectura basada en grups.