Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.45
no.7
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pp.53-61
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2008
Consider a typical wireless sensor network in which stem nodes form the backbone network of mesh topology while each stem node together with leaf nodes in its vicinity forms a subnetwork of star topology. In such a wireless sensor network, we must heed the following when we design a MAC scheme supporting the packet delivery from a leaf node to a stem node. First, leaf nodes are usually battery-powered and it is difficult to change or recharge their batteries. Secondly, a wireless sensor network is often deployed to collect and update data periodically. Late delivery of a data segment by a sensor node causes the sink node to defer data processing and the data segment itself to be obsolete. Thirdly, extensive signaling is extremely limited and complex computation is hardly supported. Taking account of these facts, a MAC scheme must be able to save energy and support timeliness in packet delivery while being simple and robust as well. In this paper, we propose a version of ALOHA as a MAC scheme for a wireless sensor network. While conserving the simplicity and robustness of the original version of ALOHA, the proposed version of ALOHA possesses a distinctive feature that a sensor node decides between stop and continuation prior to each delivery attempt for a packet. Such a decision needs a stopping rule and we suggest a Bayes stopping rule. Note that a Bayes stopping rule minimizes the Bayes risk which reflects the energy, timeliness and throughput losses. Also, a Bayes stopping rule is practical since a sensor node makes a decision only using its own history of delivery attempt results and the prior information about the failure in delivery attempt. Numerical examples confirm that the proposed version of ALOHA employing a Bayes stopping rule is a useful MAC scheme in the severe environment of wireless sensor network.
With recent advances in sensor technology, CMOS-based semiconductor devices and networking protocol, the areas for application of wireless sensor networks greatly expanded and diversified. Such diversification of uses for wireless sensor networks creates a multitude of beneficial possibilities for several industries. In the application of wireless sensor networks for monitoring systems' data transmission process from the sensor node to the sink node, transmission through multi-hop paths have been used. Also mobile sink techniques have been applied. However, high energy costs, unbalanced energy consumption of nodes and time gaps between the measured data values and the actual value have created a need for advancement. Therefore, this thesis proposes a new model which alleviates these problems. To reduce the communication costs due to frequent data exchange, a State Prediction Model has been developed to predict the situation of the peripheral node using a geographic autocorrelation of sensor nodes constituting the wireless sensor networks. Also, a Risk Analysis Model has developed to quickly alert the monitoring system of any fatal abnormalities when they occur. Simulation results have shown, in the case of applying the State Prediction Model, errors were smaller than otherwise. When the Risk Analysis Model is applied, the data transfer latency was reduced. The results of this study are expected to be utilized in any efficient communication method for wireless sensor network monitoring systems where all nodes are able to identify their geographic location.
As rapid improvement in electronic technologies makes sensor hardware more powerful and capable, the application range of sensor networks Is getting to be broader. The main purpose of sensor networks is to monitor the phenomena in interesting regions (e.g., factory warehouses, disaster areas, wild fields, etc) and return required data. The k Nearest Neighbor (KNN) query that finds k objects which are geographically close to the given point is an Important application in sensor networks. However, most previous approaches are either seem to be impractical or are not energy-efficient in resource-limited sensor networks. In this paper. we propose an efficient KNN query processing method in sensor networks. In the proposed method, we dynamically increase searching boundary, if necessary, and traverse nodes inside the boundary until finding k nearest neighbors. Since only the representative sensor nodes are visited, our algorithm reduces a number of messages. We show thorough experiments that the proposed method performs better than the existing method in various network environments.
Wireless sensor networks are expected to play a vital role in the upcoming age of ubiquitous computing such as home environmental, industrial, and military applications. Compared with the vivid utilization of the sensor networks, however, security and privacy issues of the sensor networks are still in their infancy because unique challenges of the sensor networks make it difficult to adopt conventional security policies. Especially, node compromise is a critical threat because a compromised node can drain out the finite amount of energy resources in battery-powered sensor networks by launching various insider attacks such as a false data injection. Even cryptographic authentication mechanisms and key management schemes cannot suggest solutions for the real root of the insider attack from a compromised node. In this paper, we propose a novel trust-based secure aggregation scheme which identifies trustworthiness of sensor nodes and filters out false data of compromised nodes to make resilient sensor networks. The proposed scheme suggests a defensible approach against the insider attack beyond conventional cryptographic solutions. The analysis and simulation results show that our aggregation scheme using trust evaluation is more resilient alternative to median.
Data-centric storage schemes(DCS) are one of representative researches that efficiently store and manage sensor readings in sensor nodes in the sensor networks. In DCS, a sensor sends the sensed data to a specific node in order to store them. However, it has a problem that sensor nodes consume a lot of energy for transmitting their readings to remote sensor node. In this paper, we propose a novel sensor data compression algorithm to reduce communication costs for DCS. The proposed algorithm establishes a safe region and transmits the sensed data only when current measurement is out of the safe region, As a result, the proposed algorithm extends network life time and reduces data transmission. It is shown through performance evaluation that our proposed algorithm reduces energy consumption by about 60% over the conventional algorithm.
Wireless sensor networks have recently emerged as a platform for several applications. By deploying wireless sensor nodes and constructing a sensor network, we can remotely obtain information about the behavior, conditions, and positions of objects in a region. Since sensor nodes operate on batteries, energy-efficient mechanisms for gathering sensor data are indispensable to prolong the lifetime of a sensor network as long as possible. In this paper, we propose a novel clustering algorithm that distributes the energy consumption of a cluster head. First, we analyze the energy consumption if cluster heads and divide each cluster into a collection layer and a transmission layer according to their roles. Then, we elect a cluster head for each layer to distribute the energy consumption of single cluster head. In order to show the superiority of our clustering algorithm, we compare it with the existing clustering algorithm in terms of the lifetime of the sensor network. As a result, our experimental results show that the proposed clustering algorithm achieves about $10%{\sim}40%$ performance improvements over the existing clustering algorithms.
Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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2009.05a
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pp.631-634
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2009
Recent advances in wireless communication, electronics, MEMS device, sensor and battery technology have made it possible to manufacture low-cost, low-power, multi-function tiny sensor nodes. A large number of tiny sensor nodes form sensor network through wireless communication. Sensor networks represent a significant improvement over traditional sensors, research on Zigbee wireless image transmission has been a topic in industrial and scientific fields. In this paper, we design a Zigbee wireless image sensor node and multimedia monitoring server system. It consists of embedded processor, memory, CMOS image sensor, image acquisition and processing unit, Zigbee RF module, power supply unit and remote monitoring server system. In the future, we will further improve our Zigbee wireless image sensor node and monitoring server system. Besides, energy-efficient Zigbee wireless image transmission protocol and interworking with mobile network will be our work focus.
Routing through a backbone, which is responsible for performing and managing multipoint communication, reduces the communication overhead and overall energy consumption in wireless sensor networks. However, the backbone nodes will need extra functionality and therefore consume more energy compared to the other nodes. The power consumption imbalance among sensor nodes may cause a network partition and failures where the transmission from some sensors to the sink node could be blocked. Hence optimal construction of the backbone is one of the pivotal problems in sensor network applications and can drastically affect the network's communication energy dissipation. In this paper a distributed algorithm is proposed to generate backbone trees through robust multi-hop clusters in wireless sensor networks. The main objective is to form a properly designed backbone through multi-hop clusters by considering energy level and degree of each node. Our improved cluster head selection method ensures that energy is consumed evenly among the nodes in the network, thereby increasing the network lifetime. Comprehensive computer simulations have indicated that the newly proposed scheme gives approximately 10.36% and 24.05% improvements in the performances related to the residual energy level and the degree of the cluster heads respectively and also prolongs the network lifetime.
In wireless sensor networks(WSNs) individual sensor nodes are subject to security compromises. An adversary can physically capture sensor nodes and obtain the security information. And the adversary injects false reports into the network using compromised nodes. If undetected, these false reports are forwarded to the base station. False reports injection attacks can not only result in false alarms but also depletion of the limited amount of energy in battery powered sensor nodes. To combat these false reports injection attacks, several filtering schemes have been proposed. The statistical en-routing filtering(SEF) scheme can detect and drop false reports during the forwarding process. In SEF, The number of the message authentication codes(threshold) is important for detecting false reports and saving energy. In this paper, we propose a dynamic threshold determination method for energy efficient SEF using fuzzy-logic in wireless sensor networks. The proposed method consider false reports rate and the number of compromised partitions. If low rate of false reports in the networks, the threshold should low. If high rate of false reports in networks, the threshold should high. We evaluated the proposed method’s performance via simulation.
This paper proposes hidden-node aware grouping (HAG) algorithm to enhance the performance of institute of electrical and electronics engineers (IEEE) 802.15.4 networks when they undergo either severe collisions or frequent interferences by hidden nodes. According to the degree of measured collisions and interferences, HAG algorithm dynamically transforms IEEE 802.15.4 protocol between a contention algorithm and a contention-limited one. As a way to reduce the degree of contentions, it organizes nodes into some number of groups and assigns each group an exclusive per-group time slot during which only its member nodes compete to grab the channel. To eliminate harmful disruptions by hidden nodes, especially, it identifies hidden nodes by analyzing the received signal powers that each node reports and then places them into distinct groups. For load balancing, finally it flexibly adapts each per-group time according to the periodic average collision rate of each group. This paper also extends a conventional Markov chain model of IEEE 802.15.4 by including the deferment technique and a traffic source to more accurately evaluate the throughput of HAG algorithm under both saturated and unsaturated environments. This mathematical model and corresponding simulations predict with 6%discrepancy that HAG algorithm can improve the performance of the legacy IEEE 802.15.4 protocol, for example, even by 95% in a network that contains two hidden nodes, resulting in creation of three groups.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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