Μοντελοποίηση Και Μελέτη Της Απόδοσης Τεχνικών Συνάθροισης Δεδομένων Σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

Abstract

ΠερίληψηΣτην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το πρόβλημα της αποδοτικής συλλογής δεδομένων στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Αρχικά, παρουσιάζονται και συγκρίνονται διάφορες προσεγγίσεις που συναντώνται στη βιβλιογραφία. Το κυριότερο, όμως, ζήτημα το οποίο πραγματεύεται είναι η ανάπτυξη και η μελέτη μίας συγκεκριμένης μεθόδου συλλογής δεδομένων, η οποία πραγματοποιεί συνάθροιση των δεδομένων στην πορεία τους προς το κέντρο συλλογής. Η μέθοδος αυτή προσανατολίζεται σε δίκτυα αισθητήρων τα οποία επιβάλλουν περιορισμούς στο χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο μία μέτρηση πρέπει να έχει φτάσει στο κέντρο συλλογής από τη στιγμή που παράχθηκε. Σύμφωνα με τη μέθοδο που παρουσιάζεται, η συλλογή των δεδομένων πραγματοποιείται μέσω ενός δέντρου συλλογής πολλαπλών βημάτων, το οποίο έχει σαν ρίζα του το κέντρο συλλογής. Το δέντρο κατασκευάζεται μέσω ενός αλγορίθμου που τοποθετεί τους κόμβους του δικτύου σε επίπεδα και παρέχει τη δυνατότητα αποκατάστασης της λειτουργίας του δικτύου σε περίπτωση αποτυχίας κάποιου κόμβου. Η τεχνική συνάθροισης που χρησιμοποιείται από τους κόμβους ανήκει στην κατηγορία των πιθανοτικών μεθόδων και είναι πλήρως κατανεμημένη. Οι κόμβοι αποφασίζουν εάν θα πραγματοποιήσουν συνάθροιση των δεδομένων που λαμβάνουν, με βάση τη θέση στην οποία βρίσκονται καθώς και την τιμή της πιθανότητας γ με την οποία έχουν παραμετροποιηθεί. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν αποκαλύπτουν πως η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει σημαντική μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας σε σύγκριση με την περίπτωση μη εφαρμογής της μεθόδου, με αποτέλεσμα να επιμηκύνεται ο χρόνος ζωής του δικτύου. Επίσης, η πιθανότητα άφιξης μίας μέτρησης στο κέντρο συλλογής εντός του χρονικού περιορισμού αυξάνεται σε σχέση με την περίπτωση που δεν εφαρμόζεται συνάθροιση, ενώ η μέση καθυστέρηση από άκρο σε άκρο στο δίκτυο είναι σημαντικά μικρότερη. Τέλος, μελετάται και αξιολογείται η επίδραση των διαφόρων σχεδιαστικών παραμέτρων στην πιθανότητα επιτυχούς άφιξης μίας μέτρησης στο κέντρο συλλογής, στην από άκρο σε άκρο καθυστέρηση και στην καταναλισκόμενη ενέργεια. AbstractIn this thesis the problem of efficient data gathering in wireless sensor networks is considered. Several approaches presented in the literature, which vary in terms of design parameters, are investigated and compared. More importantly, a framework where sensor measurements are aggregated on the fly at intermediate sensor nodes, on their way to the collection center, is presented. Data gathering is performed via a multi-hop tree, rooted at the collection center. The tree is constructed by a novel leveling algorithm presented, that has also the ability of self-healing. Moreover, the method presented provides a distributed and probabilistic way for sensor nodes to decide whether or not to perform aggregation based on their position on the data gathering tree. At the same time, a Quality-of-Service constraint is considered that poses an additional requirement for the system. Data from the sensor nodes have to be delivered to the collection center within a delay constraint posed by the application but also in an energy efficient manner. The approach discussed succeeds in the consumption of less energy, thus extending the lifecycle of the wireless sensor network. At the same time the method achieves a high successful delivery probability as well as small end-to-end delay compared with the case where no data aggregation is performed. The tradeoffs between various design parameters, as well as the impact of these parameters on the successful data delivery probability, are also discussed and evaluated