Ενεργειακά Αποδοτική Συλλογή Δεδομένων Σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

Abstract

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν ένα νέο παράδειγμα δικτύωσης το οποίο έχει μεταβάλλει τον τρόπο αντίληψης των χρηστών για τον περιβάλλοντα χώρο τους. Σε αντίθεση με τα υπάρχοντα αυτο-οργανούμενα δίκτυα, τα δίκτυα αισθητήρων προορίζονται για εφαρμογές όπου θα λειτουργούν δίχως επίβλεψη για ορισμένο χρονικό διάστημα και συνήθως η αντικατάσταση των πηγών ενέργειας τους (μπαταρίες στις περισσότερες περιπτώσεις) είναι ιδιαίτερα δύσκολη ή ακόμα και αδύνατη διαδικασία. Ως εκ τούτου, ο περιορισμός της κατανάλωσης της δαπανώμενης ενέργειας στα δίκτυα τέτοιου τύπου με σκοπό την αύξηση της διάρκειας ζωής τους, αποτελεί πρωταρχικό στόχο κατά την ανάπτυξη πρωτοκόλλων και διαδικασιών.Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και μελέτη μεθοδολογιών και αλγορίθμων ασύρματης επικοινωνίας αισθητήρων με απώτερο στόχο την ενεργειακά αποδοτική συλλογή δεδομένων και την ταυτόχρονη εξασφάλιση συγκεκριμένων δεικτών ποιότητας υπηρεσίας. Οι μέθοδοι οι οποίες παρουσιάζονται υιοθετούν στοιχεία από τις προτεινόμενες λύσεις στην βιβλιογραφία ενώ την επεκτείνουν καθώς προτείνεται ένα γενικό πλαίσιο το οποίο κινείται σε δύο κατευθύνσεις. Αρχικά, παρουσιάζεται ένα μοντέλο συστήματος το οποίο επιτυγχάνει την μείωση της κίνησης των πακέτων πληροφορίας τα οποία συλλέγονται σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων μέσω τεχνικών συνάθροισης, ενώ η δεύτερη προσέγγιση αφορά στην δημιουργία ενός ενεργειακά αποδοτικού πρωτοκόλλου πρόσβασης μέσου.Πιο συγκεκριμένα, οδηγούμενη από τη μείωση του επικοινωνιακού κόστους που δύναται να επιφέρει η τεχνική της συνάθροισης, η οποία μειώνει το πλήθος των δεδομένων σε ένα δίκτυο, προτείνουμε ένα πλαίσιο συλλογής δεδομένων το οποίο λειτουργεί με κατανεμημένο και πιθανοτικό τρόπο. Η μέθοδος συνάθροισης μοντελοποιείται και αξιολογείται αναλυτικά, ενώ προδιαγράφεται και υλοποιείται ένα πρωτόκολλο συνάθροισης δεδομένων - ανεξάρτητο της δρομολόγησης - το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε εφαρμογή η οποία κάνει χρήση ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων. Επιπρόσθετα, το πρωτόκολλο αυτό λαμβάνει υπόψη του χαρακτηριστικά ποιότητας υπηρεσίας επιτρέποντας την αποδοτική εφαρμογή και χρήση του σε εφαρμογές ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων πραγματικού χρόνου καθώς και σε δίκτυα τα οποία χαρακτηρίζονται από χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης και μεταβλητότητα στο κανάλι επικοινωνίας, όπως είναι για παράδειγμα τα υποβρύχια δίκτυα αισθητήρων. Κατ’ επέκταση η ενεργειακά αποτελεσματική συλλογή δεδομένων με ταυτόχρονη συνάθροιση αυτών ανάγεται σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, το οποίο και επιλύεται με τεχνικές αποσύνθεσης πρωτεύοντος-δυϊκού προβλήματος. Προτείνεται και αξιολογείται ένας κατανεμημένος αλγόριθμος ο οποίος επιτυγχάνει την ελαχιστοποίηση της καταναλισκόμενης ενέργειας σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων με εύρεση των βέλτιστων σημείων - κόμβων και περιόδων συνάθροισης.Η δεύτερη στρατηγική, εστιάζει στο στρώμα πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control) και στοχεύει στην δημιουργία ενός ενεργειακά αποδοτικού πρωτοκόλλου πρόσβασης σε αυτό. Η προτεινόμενη μέθοδος επιτυγχάνει την επέκταση της διάρκειας ζωής του δικτύου αισθητήρων, κάνοντας χρήση προγραμμάτων ακρόασης - ύπνου, μειώνοντας ταυτόχρονα τον χρόνο αδρανούς ακρόασης των αισθητήρων. Οι αισθητήρες επιλέγουν πρόγραμμα λειτουργίας, συγχρονίζονται με τους γειτονικούς τους κόμβους και σχηματίζονται μονοπάτια πληροφορίας τα οποία επιτυγχάνουν χαμηλή μέση καθυστέρηση των πακέτων στο δίκτυο. Παράλληλα, επιθυμώντας τη μεγιστοποίηση των ενεργειακών κερδών από τις δύο διαφορετικές τεχνικές - συνάθροιση δεδομένων στο επίπεδο εφαρμογής και χρήση προγραμμάτων στο επίπεδο πρόσβασης - προτάθηκε ένας συνδυασμένος κατανεμημένος αλγόριθμος συλλογής, ο οποίος εφαρμόζει συνάθροιση δεδομένων για χρονικό διάστημα εξαρτώμενο από την κατάσταση του κάθε κόμβου. Η προτεινόμενη μέθοδος, επιπλέον, υποστηρίζει διασφάλιση συγκεκριμένων μετρικών Ποιότητας της Υπηρεσίας. Για την αξιολόγηση του πρωτοκόλλου πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένα πειράματα προσομοιώσεων, όπου διαπιστώθηκαν τα ενεργειακά οφέλη τα οποία επιφέρει η μέθοδος μας, ιδιαίτερα όταν συγκρίνεται με παραδοσιακά πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο.