Fault Tolerant Mission-Critical Wireless Sensor and Actor Networks. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Abdullah_alfadhly_PhD_thesis.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

ظهرت شبكات الاستشعار التفاعلية في الآونة الأخيرة في كثير من التطبيقات الحرجة والهامة مثل المراقبة العسكرية، والبحث والإنقاذ، والإطفاء، الخ. هذه الأنواع من التطبيقات تحتاج إلى نشرها على شبكات قوية تستطيع التعامل مع حالات الفشل آنيا . تعمل شبكات الاستشعار التفاعلية في بيئة قاسية ولذلك تصبح عرضة لانقطاع الاتصال بسبب تعطل جهاز تفاعلي واحد أو أكثر. وبالنظر إلى أن هذه الشبكات تنشر في أماكن نائية ، فإن إعادة الاتصال عن طريق إعادة التكوين الذاتي لطوبولوجيا الشبكة هو الحل الأكثر تفضيلا. في أطروحة الدكتوراه هذه ، تحقننا من متطلبات شبكات الاستشعار التفاعلية ذات التطبيقات الحرجة من حيث المتانة والاتصال ، وقمنا من الناحية التحليلية و المحاكاتية بتوفير حلول مركزية و موزعة للتعامل مع فشل جهاز تفاعلي واحد أو أكثر من أجهزة هذه الشبكات. الحل المركزي والذي يمكن أن يمثل الحد الادني للحلول الأخرى قائم على البرمجة الخطية ذات العددية الصحيحة من حيث الصياغة ويستخدم مسافة التحرك كهدف وظيفي. مع أن التقليل من المسافة الإجمالية للتحرك هو الهدف الأساسي للحل المركزي ، إلا أننا اعتبرنا مقاييس الأداء الأخرى مثل فقدان التغطية والمسافة القصوى التي يمكن أن يقطعها أي جهاز تفاعلي أثناء عملية إعادة الاتصال للشبكة. وبسبب ان الحلول المركزية ليست مجدية في شبكات الاستشعار التفاعلية ، وضعنا حلول موزعة تعتمد على المعلومات المحلية لكل جهاز تفاعلي ، وتوفر آلية للترميم تستطيع التعامل مع فشل جهاز تفاعلي واحد أو أكثر بحدود أدنى للكلفة. حلنا الأول هو حل الاستعادة ذو المسافة الاقل للحركة (Least Distance Movement Recovery Approach) والذي يستغل الأجهزة التفاعلية ذات المواضع غير الحرجة (المهمة) في الشبكة من أجل استبدال الأجهزة التفاعلية المتعطلة ، وقد تم تعزيز هذا الحل بجعله متكيفا حسب طوبولوجيا الشبكة من أجل تحقيق أداء أفضل في الشبكات الكثيفة و المتفرقة. وقد أسمينا هذا الحل الجديد والذي يقوم على حلنا الأول بخوارزمية إعادة الاتصال المتكيفة (Adaptive Connectivity Restoration Algorithm). ولاستعادة اتصال الشبكة في حالة الفشل المتزامنة لأكثر من جهاز تفاعلي، وضعنا حلا جديدا يسمى حل الاستعادة بسبب الفشل الآني (Simultaneous Failures Recovery Approach) . يعتمد هذا الحل على بناء شجرة الاستعادة من الشبكة الأصلية بدءا من جذر محدد مسبقا. وخلافا لغيره من الحلول الأخرى ، يمكن لهذا الحل التعامل مع الشبكات المنقسمة تماما استنادا للحالة الراهنة لطوبولوجيا الشبكة. وقد وضحنا صحة وفعالية هذه الحلول بالتحليل والمحاكاة.

English Abstract

Wireless sensor and actor networks (WSANs) have emerged recently in many Mission Critical Applications (MCA) such as military surveillance, research and rescue, and fire extinguishing, etc. These types of applications need to be deployed on robust networks that can handle node failures in real time manner. However, WSAN usually operate in harsh environment and thus become susceptible to breakage in connectivity due to the failure of one or multiple actor nodes. Given that WSANS are deployed in remote areas, restoring connectivity through self-reconfiguring the network topology becomes the most preferred solution. In this PhD dissertation, we investigate the requirements of Critical Mission Wireless Sensor and Actor Networks in terms of robustness and connectivity and provide analytically and by simulation central and distributed approaches to handle single and multiple node failures. The central approach which serves as a lower bound to other heuristics is based on Integer Linear Programming (ILP) formulation and uses traveled distance as its objective function. While minimizing the total traveled distance is the main goal of the ILP approach, other performance metrics are considered such as the loss of coverage and the maximum traveled distance by a node. Since applying a central approach is not feasible in WSAN, we developed distributed approaches that depend on local information, and provide a restoration mechanism that can handle single and multiple node failures with minimized cost. Our first distributed approach is called Least Distance Movement Recovery approach (LDMR) which exploits non-critical nodes in the network in order to replace failed nodes. It has been enhanced to behave adaptively based on the network topology in order to achieve better performance in sparse and dense networks. The new adaptive approach which is based on LDMR is called Adaptive Connectivity Restoration Algorithm (ACRA). To restore network connectivity in case of multiple simultaneous failures, we developed a new approach called Simultaneous Failures Recovery Approach (SFRA). SFRA depends on constructing a recovery tree from the original network starting from a pre-assigned root. Unlike other solutions, SFRA can handle completely partitioned networks based on the current state of the network topology. We show the effectiveness and correctness of our approaches analytically and by simulations.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Computer Engineering
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Baroudi, Uthman
Committee Co-Advisor:	Younis, Mohamed
Committee Members:	Selim, Shokri and Abdel-Aal, Radwan and Masoud, Ahmed
Depositing User:	AL-FADHLY ABDULLAH (g200505490)
Date Deposited:	07 Nov 2013 18:05
Last Modified:	01 Nov 2019 15:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139004