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[desynchronisation-controle.git] / IWCMC14 / HLG.tex
1 \begin{figure*}
2 \begin{center}
3
4 \includegraphics[scale=0.2]{SensorNetwork.png}
5 \begin{scriptsize}
6
7 An example of a sensor network of size 10. 
8 All nodes are video sensors (depicted as small discs)
9 except the 9 one which is the sink (depicted as a rectangle). 
10 Large circles represent the maximum 
11 transmission range which is set to 20 in a square region which is 
12 $50 m \times  50 m$.
13 \end{scriptsize} 
14 \caption{Illustration of a Sensor Network of size 10}\label{fig:sn}.
15 \end{center}
16 \end{figure*} 
17
18 Let us first recall  the basics of the~\cite{HLG09} article.
19 The video sensor network is memorized as a connected non oriented 
20 graph. 
21 In this one, 
22 the nodes, in a set $N$, are sensors, links, or the sink.
23 Furthermore, there is an edge from $i$ to $j$ if $i$ can 
24 send a message to $j$, \textit{i. e.}, the distance between 
25 $i$ and $j$ is less than a given maximum 
26 transmission range.
27 All the possible edges are stored into a sequence  
28 $L$.
29 Figure~\ref{fig:sn} gives an example of such a network.
30   
31 This link information is stored as a  
32 matrix $A=(a_{il})_{i \in N, l \in L}$,
33 where 
34 $a_{il}$ is  1 if $l$ starts with $i$, is -1 if  $l$ ends width $i$ 
35 and  0 otherwise.
36 Moreover, the outgoing  links(resp. the incoming links) are represented 
37 with the $A^+$ matrix (res. with the $A^-$ matrix), whose elements are defined:
38 $a_{il}^+$ (resp. $a_{il}^-$) is 1  if the link $l$ is an outgoing link from $i$ 
39 (resp an incoming link into $i$) and 0 otherwise. 
40
41 Let $V \subset N $ be the set of the video sensors of $N$.
42 Let thus $R_h$, $R_h \geq 0$,
43 be the encoding rate of  video sensor $h$, $h \in V$.  
44 Let $\eta_{hi}$ be the  rate inside the  node $i$ 
45 of the production that has been initiated by $h$. More precisely, we have 
46 $ \eta_{hi}$ is equal to $ R_h$ if $i$ is $h$,
47 is equal to $-R_h$ if $i$ is the sink, and $0$ otherwise.
48   
49 Let us focus on the flows in this network.
50 Let $x_{hl}$, $x_{hl}\geq 0$, be the flow inside the edge $l$ that 
51 issued from the node $h$  and 
52 let $y_l = \sum_{h \in V}x_{hl} $ the sum of all the flows inside $l$.
53 Thus, what is produced inside the $i^{th}$ sensor for session $h$ 
54 is  $ \eta_{hi} = \sum_{l \in L }a_{il}x_{hl} $.
55
56
57 The encoding power of the $i$ node is $P_{si}$, $P_{si} > 0$.
58 The emission distortion  of the $i$ node is 
59 $\sigma^2 e^{-\gamma . R_i.P_{si}^{}2/3}$
60 where $\sigma^2$ is the average input variance and
61 $\gamma$ is the encoding efficiency coefficient.
62 This distortion  
63 is bounded by a constant value $D_h$.
64 The initial energy of the $i$ node is  $B_i$.
65 The transmission consumed power of node $i$ is  
66 $P_{ti} = c_l^s.y_l$ where  $c_l^s$ is the transmission energy
67 consumption cost of link $l$, $l\in L$. This cost is defined 
68 as follows:  $c_l^s = \alpha +\beta.d_l^{n_p} $ where 
69 $d_l$ represents the distance of the link $l$,
70 $\alpha$, $\beta$, and $n_p$ are constant. 
71 The reception consumed power of node $i$ is  
72 $P_{ri} = c^r \sum_{l \in L } a_{il}^-.y_l$ 
73 where  $c^r$ is a reception energy consumption cost.
74 The overall consumed power of the $i$ node is 
75 $P_{si}+ P_{ti} + P_{ri}= 
76 P_{si}+ \sum_{l \in L}a_{il}^{+}.c^s_l.y_l + 
77 \sum_{l \in L} a_{il}^{-}.c^r.y_l $.
78 %\leq q.B_i. 
79 %$
80
81 The objective is thus to find $R$, $x$, $P_s$  which maximizes
82 the network lifetime $T_{\textit{net}}$, or equivalently which minimizes
83 $q=1/{T_{\textit{net}}}$. 
84 Let $B_i$ is the initial energy in node $i$.
85 One have the equivalent objective to find $R$, $x$, $P_s$ which minimizes
86 $q^2$
87 under the following set of constraints:
88 \begin{enumerate}
89 \item $\sum_{l \in L }a_{il}x_{hl} = \eta_{hi},\forall h \in V, \forall i \in N  $
90 \item $ \sum_{h \in V}x_{hl} = y_l,\forall l \in L$
91 \item $\dfrac{\ln(\sigma^2/D_h)}{\gamma.P_{sh}^{2/3}} \leq R_h \forall h \in V$
92 \item \label{itm:q} $P_{si}+ \sum_{l \in L}a_{il}^{+}.c^s_l.y_l + 
93 c^r.\sum_{l \in L} a_{il}^{-}.y_l \leq q.B_i, \forall i \in N$
94 \item $\sum_{i \in N} a_{il}q_i = 0, \forall l \in L$ 
95 \item $x_{hl}\geq0, \forall h \in V, \forall l \in L$
96 \item $R_h \geq 0, \forall h \in V$
97 \item $P_{sh} > 0,\forall h \in V$
98 \end{enumerate}
99
100 To achieve this optimizing goal 
101 a local optimisation, the problem is translated into an 
102 equivalent one: find $R$, $x$, $P_s$  which minimize 
103 $\sum_{i \in N }q_i^2$ with the same set of constraints, but  
104 item \ref{itm:q}, which is replaced by:
105 $$
106 \begin{array}{l}
107 P_{si}+ \sum_{l \in L}a_{il}^{+}.c^s_l.\left( \sum_{h \in V}x_{hl} \right) \\
108 \qquad + 
109  \sum_{l \in L} a_{il}^{-}.c^r.\left( \sum_{h \in V}x_{hl} \right) \leq q_i.B_i, \forall i \in N
110 \end{array}
111 $$
112 and where the following constraint is added
113 $q_i > 0, \forall i \in N$.
114
115
116
117 They thus replace the objective of reducing
118 $\sum_{i \in N }q_i^2$
119 by the objective of reducing 
120 \begin{equation}
121 \sum_{i \in N }q_i^2 + 
122 \sum_{h \in V, l \in L } \delta.x_{hl}^2 
123 + \sum_{h \in V }\delta.R_{h}^2 
124 \label{eq:obj2}
125 \end{equation}
126 where $\delta$ is a regularisation factor.
127 This indeed introduces quadratic functions on variables $x_{hl}$ and 
128 $R_{h}$ and makes some of the functions strictly convex.
129
130 The authors then apply a classical dual based approach with Lagrange multiplier 
131 to solve such a problem~\cite{PM06}.
132 They first introduce dual variables 
133 $u_{hi}$, $v_{h}$, $\lambda_{i}$, and  $w_l$ for any 
134 $h \in V$, $ i \in N$, and $l \in L$.
135
136 \begin{equation}
137 \begin{array}{l}
138 L(R,x,P_{s},q,u,v,\lambda,w)=\\ 
139 \sum_{i \in N} \left( q_i^2 + q_i.  \left(
140 \sum_{l \in L } a_{il}w_l-
141 \lambda_iB_i
142 \right)\right) \\
143 + \sum_{h \in V} \left(
144 v_h.\dfrac{\ln(\sigma^2/D_h)}{\gamma P_{sh} ^{2/3}} + \lambda_h P_{sh} \right)\\
145 + \sum_{h \in V} \sum_{l\in L}
146 \left(
147 \delta.x_{hl}^2  \right.\\
148 \qquad \qquad + x_{hl}.
149 \sum_{i \in N} \left( 
150 \lambda_{i}.(c^s_l.a_{il}^{+} +
151 c^r. a_{il}^{-} ) \right.\\
152 \qquad \qquad\qquad \qquad +
153 \left.\left. u_{hi} a_{il}
154 \right)
155 \right)\\
156  + \sum_{h \in V} \left(
157 \delta R_{h}^2 
158 -v_h.R_{h} - \sum_{i \in N} u_{hi}\eta_{hi}\right)
159 \end{array}
160 \label{eq:dualFunction}
161 \end{equation}
162
163 The proposed algorithm iteratively computes the following variables 
164 until the variation of the dual function is less than a given threshold.
165 \begin{enumerate}
166 \item $ u_{hi}^{(k+1)} = u_{hi}^{(k)} - \theta^{(k)}. \left(
167  \eta_{hi}^{(k)} - \sum_{l \in L }a_{il}x_{hl}^{(k)} \right) $
168 \item 
169 $v_{h}^{(k+1)}= \max\left\{0,v_{h}^{(k)} -  \theta^{(k)}.\left( R_h^{(k)} - \dfrac{\ln(\sigma^2/D_h)}{\gamma.(P_{sh}^{(k)})^{2/3}}   \right)\right\}$
170 \item 
171   $\begin{array}{l}
172    \lambda_{i}^{(k+1)} = \max\left\{0, \lambda_{i}^{(k)} - \theta^{(k)}.\left( 
173     q^{(k)}.B_i - P_{si}^{(k)} \right. \right.\\
174   \qquad\qquad\qquad -\sum_{l \in L}a_{il}^{+}.c^s_l. \sum_{h \in V}x_{hl}^{(k)}    \\
175   \qquad\qquad\qquad  - \left.\left. c^r.\sum_{l \in L} a_{il}^{-}. \sum_{h \in V}x_{hl}^{(k)} \right)   \right\}
176 \end{array}
177 $
178
179 \item 
180 $w_l^{(k+1)} = w_l^{(k+1)} +  \theta^{(k)}.  \sum_{i \in N} a_{il}.q_i^{(k)} $
181
182
183 \item 
184 $\theta^{(k)} = \omega / k^{1/2}$
185
186  \item 
187 $q_i^{(k+1)} = \arg\min_{q_i>0}
188 \left(
189 q_i^2 + q_i. 
190 \left(
191 \sum_{l \in L } a_{il}w_l^{(k)}-
192 \lambda_i^{(k)}B_i
193 \right)
194 \right)$
195
196 \item \label{item:psh} 
197 $
198 P_{sh}^{(k+1)} 
199 =
200 \arg \min_{p > 0} 
201 \left(
202 v_h^{(k)}.\dfrac{\ln(\sigma^2/D_h)}{\gamma p^{2/3}} + \lambda_h^{(k)}p
203 \right)
204 $
205
206 \item 
207 $
208 R_h^{(k+1)}
209 =
210 \arg \min_{r \geq 0 }
211 \left(
212 \delta r^2 
213 -v_h^{(k)}.r - \sum_{i \in N} u_{hi}^{(k)} \eta_{hi}
214 \right)
215 $
216 \item 
217 $
218 x_{hl}^{(k+1)} =
219 \begin{array}{l}
220 \arg \min_{x \geq 0}
221 \left(
222 \delta.x^2  \right.\\
223 \qquad \qquad + x.
224 \sum_{i \in N} \left( 
225 \lambda_{i}^{(k)}.(c^s_l.a_{il}^{+} +
226 c^r. a_{il}^{-} ) \right.\\
227 \qquad \qquad\qquad \qquad +
228 \left.\left. u_{hi}^{(k)} a_{il}
229 \right)
230 \right)
231 \end{array}
232 $
233 \end{enumerate}
234 for any $h \in V$, $i \in N$, and $l \in L$.