Relay selection technique applied to wireless sensor network:: the ORST approach

Abstract

Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) estão cada vez mais presentes no dia a dia das pessoas (saúde, cidades inteligentes, agricultura inteligente, Indústria 4.0 e o uso sustentável de ecossistemas terrestres), facilitando o desenvolvimento das atividades diárias e melhorando a qualidade de vida. Porém, em todas essas aplicações, a confiabilidade da comunicação ainda é um desafio devido à natureza dos canais de comunicação sem fio, que estão sujeitos a ruídos eletromagnéticos e obstáculos entre os nós que podem atenuar ou refletir o sinal. Para minimizar este desafio, técnicas de diversidade cooperativa e mecanismos de retransmissão podem ser usados como estratégias eficientes. Nas técnicas de diversidade cooperativa, alguns nós são selecionados como cooperantes e são responsáveis por transmitir seus próprios dados e os dados previamente armazenados de outros nós. A seleção dos nós cooperantes é uma etapa crítica, que pode afetar a qualidade da comunicação e é importante encontrar os critérios de seleção mais adequados para garantir o funcionamento da rede. Além disso, mecanismos de retransmissão que são amplamente utilizados e que podem ser citados são técnicas de codificação de rede, onde nós intermediários atuam sobre as mensagens retransmitidas, modificando-as de acordo com técnicas específicas com codificação matemática. As técnicas de codificação de rede são soluções promissoras para minimizar o atraso de transmissão, equilibrar a carga da rede e também melhorar a taxa de sucesso da rede. Nesse contexto, esta tese pretende atuar sobre esta limitação de confiabilidade nas comunicações em RSSF, tratando a comunicação de forma holística. Como contribuição desta tese, destacamos (i) uma revisão sistemática sobre técnicas de seleção de nós cooperantes; (ii) a proposta e validação de uma nova técnica de seleção de nós cooperantes, que chamamos de ORST (Técnica de Seleção de Cooperantes Otimizada); (iii) uma análise dos parâmetros utilizados na seleção dos cooperantes da técnica ORST; (iv) uma análise das soluções utilizadas no problema de seleção de cooperantes da técnica ORST; (v) uma revisão sistemática sobre técnicas de codificação de rede; (vi) a proposta de uma técnica de codificação de rede em conjunto com a proposta de quatro mecanismos de retransmissão, sendo que três deles consideram a técnica de codificação de rede e um não utiliza codificação de rede; e por fim, (vii) uma análise do funcionamento de uma RSSF quando utilizada a técnica ORST e os mecanismos de retransmissão, com e sem codificação de rede. Para avaliar a técnica de seleção de cooperantes e os mecanismos de retransmissão foi utilizada a ferramenta de simulação de rede OMNeT++ e o framework Castalia. O pressuposto inicial desta tese era que a técnica proposta de seleção de cooperantes operando em conjunto com um mecanismo de retransmissão que utilizasse codificação de rede melhoraria a confiabilidade da comunicação das RSSF. No entanto, a avaliação da simulação mostrou que, ao usar a técnica de seleção de cooperantes, a retransmissão sem codificação de rede é a melhor solução.

Abstract: Wireless sensor networks (WSNs) are increasingly prevalent in everyday life (for example, in healthcare, smart cities, smart agriculture, Industry 4.0, and the sustainable use of terrestrial ecosystems), as they can facilitate daily activities and improve quality of life. However, in all these applications, the reliability of communication remains a challenge due to the nature of wireless communication channels, which are subject to electromagnetic noise and obstacles between nodes that can attenuate or reflect the signal. To minimize these problems, cooperative diversity techniques and retransmission mechanisms are efficient strategies that can be applied. In cooperative diversity techniques, several nodes are selected as relays and are responsible for transmitting both their own data and data from other nodes that have been previously stored. Relay selection is a critical step that may affect the quality of transmission, and it is therefore important to find the most appropriate selection criteria for the operation of the network. In addition, network coding techniques are widely used retransmission mechanisms in which intermediary nodes act upon the retransmitted messages and modify them using specific mathematical coding techniques. Network coding techniques are a promising solution for minimizing transmission delay, balancing the network load, and improving the network throughput. In this context, this thesis examines the limitations on reliable communication in WSNs by treating the communication in a holistic way. As a contribution in this thesis, we highlight: (i) a systematic review on relay selection techniques; (ii) the proposal and validation of a new technique for selecting relay nodes, which we call ORST (Optimized Relay Selection Technique); (iii) an analysis of the parameters used in the selection of relay nodes in the ORST technique; (iv) an analysis of the solutions used in the relay selection problem of the ORST technique; (v) a systematic review of network coding techniques; (vi) the proposal of a network coding technique together with the proposal of four retransmission mechanisms, three of which consider the network coding technique and one do not use network coding; and finally, (vii) an analysis of the operation of a WSN when using the ORST technique and retransmission mechanisms, with and without network coding. To evaluate the cooperative selection technique and the retransmission mechanisms, the network simulation tool OMNeT++ and the WSN framework Castalia were used. The initial assumption underlying this research work was that the use of the proposed relay selection technique in conjunction with a retransmission mechanism that used network coding would improve the communication reliability of a WNS; however, the simulation results showed that when the proposed relay selection technique was used, retransmission without network coding was a better solution.