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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2019.tde-18052020-110741
Document
Author
Full name
Doriedson Alves Galdino de Oliveira
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Margi, Cíntia Borges (President)
Batista, Daniel Macedo
Okamoto Junior, Jun
Title in Portuguese
Roteamento com múltiplas métricas em redes de sensores sem fio definidas por software.
Keywords in Portuguese
Energia remanescente
Lógica difusa
Métrica de roteamento
Número esperado de transmissões (ETX)
Redes de sensores sem fio definidas por software (SDWSN)
Wireless
Abstract in Portuguese
As redes de sensores sem fio (RSSF) são formadas por dispositivos (nós) interconectados com capacidade de sensoriamento, atuação, processamento e comunicação. Muitas aplicações requerem o uso destes dispositivos em lugares remotos,dificultando o acesso físico e consequentemente a troca de baterias e reprogramação. O paradigma de redes definidas por software tem sido aplicado às RSSFs com o objetivo de trazer flexibilidade e melhorar o gerenciamento da rede permitindo a configuração dos nós de forma centralizada, sendo conhecido como SDWSN (do inglês Software- Defined Wireless Sensor Networks). O roteamento desempenharam importante papel no consumo de energia. Trabalhos prévios mostram que o uso da qualidade do link (ETX) como métrica na definição de rotas usualmente reduz a latência, e o uso da energia remanescente do nó com o métrica deve balancear o consumo de energia na rede aumentando o tempo de vida da mesma. Dada a lacuna na literatura sobre combinações de métricas na definição de rotas em SDWSN, esta pesquisa tem como objetivo propor estratégias de uso de múltiplas métricas no algoritmo de definição de rotas em SDWSN e avaliar o impacto que o uso destas combinações causam. Na literatura, o ETX e a energia remanescentedonósãométricasbastanteutilizadasemprotocolosderoteamentopara redes de sensores sem fio. Desta forma, escolhemos utilizar estas duas métricas para avaliar as propostas de combinações de métricas. Definimos duas estratégias principais como abordagem para as combinações das métricas. A primeira estratégia consiste no uso de uma fórmula de média ponderada na qual podemos atribuir pesos para as métricas. A segunda estratégia consiste em usar a lógica difusa na combinação das métricas abordando dois métodos de defuzificação: centroide e média dos máximos. Ambas estratégias são utilizadas na literatura para combinação das métricas em protocolos de roteamento distribuído. Primeiro, analisamos a correlação entre o ETX e a energia remanescente e concluímos que não há correlação entre as duas métricas, corroborando a premissa que a combinação alavanca as propriedades das métricas. Depois analisamos dois algoritmos de roteamento (menor caminho e menor caminho mais largo) com duas diferentes sensibilidades (0,5 e 1,0) para cada métrica. Concluímos que o algoritmo de menor caminho obteve melhores resultados com ambas as sensibilidades. Depois analisamos as estratégias de combinação de métricas. As estratégias definidas pela equação de média ponderada e pela lógica difusa apresentaram resultados melhores que o uso das métricas individuais. Por fim, analisamos a escalabilidade da proposta com os seguintes tamanhos de rede: 25, 49, 81, 121, 169, 225 e 289 nós. O uso da equação de média ponderada como estratégia de combinação de métrica apresentou o melhor resultado na avaliação de escalabilidade, apresentando assim uma boa estratégia de combinação de métricas para uso no algoritmo de definição de rotas.
Title in English
Routing with multiple metrics in software-defined wireless sensor network.
Keywords in English
Expected transmission count (ETX)
Fuzzy logic
Remaining energy
Routingmetric
Software defined wireless sensor networks (SDWSN)
Abstract in English
Wireless sensors networks (WSN) are composed by interconnected devices (nodes) with capability to sense, actuate, process and communicate. Many applications deploy the devices at a remote location making it difficult to replace batteries and reprogram the node. The software-defined networking paradigm has been applied to WSN with the go al to achieve flexibility and improve net work management enabling centralized configuration of nodes, approach known as SDWSN(Software-Defined Wireless Sensor Networks). Routing plays an important role in energy consumption. Previous work shows that the use of link quality (ETX) as a routing metric usually decreases latency and the use of remaining energy as a metrics hould balance the network energy consumption increasing network lifetime. Given the gap in the literature about metric combination in SDWSN routing definition, in this research we propose strategies touse multiple metrics in SDWSN routing algorithm and assess the impact from these combinations on network. In the literature, ETX and remaining energy are often used as metrics in WSNs routing protocols. Thus, we choose to use these two metrics to evaluate our metric combination strategy. We defined two strategies formetric combination. The first strategy is to use the weighted average equation where we can assign weights to the metrics. The second strategy is to use the fuzzy logic to combine the metrics by addressing two methods of defuzzification: centroid and mean of maximum. Both strategiesare usedinthe literatureto combine metricsindistributedrouting protocols. First we analyze the correlation between ETX and there main in genergy, andconclude that there is no correlation between the two metrics, corroborating the premise that the combination leverages the properties of the metrics. Then we analyze two routing algorithms (shortest path and widest shortest path) with two different sensitivity values (0.5 and 1.0) for each metric. We conclude that the shortest path algorithm yields better results with both sensitivity values. Then we analyze the metric combination strategies. The strategies defined by the weighted average equationand the fuzzy logic present better results than the use of individual metrics. Finally, we analyze the scalability of the proposal with the following network sizes: 25, 49, 81, 121, 169, 225 and 289 nodes. The use of the weighted average equation as a metric combination strategy presents the best resultin the scalability evaluation, thus presenting a good metric combination strategy for use in the route definition algorithm.
 
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Publishing Date
2020-05-27
 
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