Εξοικονομηση Ενεργειας Σε Αυτο-οργανουμενα Δικτυα Ανεκτικα Σε Καθυστερηση

Abstract

H διατριβή μελετά την εξοικονόμηση ενέργειας σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα ανεκτικάσε καθυστέρηση που αποτελούνται από αυτόνομους και ενεργειακά περιορισμένους κόμ-βους. Συγκεκριμένα, η διατριβή αντιμετωπίζει την κατανάλωση ενέργειας σε τρεις κρίσιμεςαπό πλευράς ενεργειακής κατανάλωσης λειτουργίες, τη μετάδοση πολλαπλών αντιγράφωνπληροφορίας στο δίκτυο, την ελεγχόμενη κινητικότητα των κόμβων του δικτύου και τηνενεργητική ανίχνευση δικτύου που αυτοί επιτελούν. Η δυναμική φύση των δικτύων ανεκτι-κών σε καθυστέρηση, για την οποία οφείλονται οι συχνές αποσυνδέσεις λόγω εξάντλησηςτων ενεργειακών πόρων ή της αραιής κατανομής των κόμβων στην περιοχή ανάπτυξής τους,επιτάσσει την ανεξάρτητη δράση των ενδιάμεσων κόμβων που έχουν στόχο την παράδοσητης πληροφορίας στους κόμβους-προορισμούς. Στο πλαίσιο αυτό, οι αυτόνομοι κόμβοι πα-ρακινούνται άλλοτε στη μετάδοση πολλαπλών αντιγράφων της αποθηκευμένης πληροφορίαςτους προκειμένου να εξασφαλίσουν ότι αυτή θα φθάσει στον προορισμό της, άλλοτε στηναυτο-κίνηση (κίνηση που καθορίζεται από τον ίδιο κόμβο), ώστε να αυξηθεί η πιθανότητασυνάντησης κόμβων εντός εμβέλειας, και άλλοτε στην εκπομπή συχνών σημάτων ανίχνευ-σης δικτύου προκειμένου να αξιοποιήσουν όποια ευκαιρία σύναψης επικοινωνίας με κόμβοεντός εμβέλειας προκύψει. Και οι τρεις αυτές διαδικασίες μπορούν να αποβούν εξαιρετικάενεργοβόρες αν τα σχήματα που προτιμώνται για την αντιμετώπιση των αντίστοιχων επι-πτώσεων δεν σχεδιαστούν κατάλληλα, κατά κύριο λόγο λαμβάνοντας υπόψη τα ενεργειακάαποθέματα των κόμβων με στόχο την εξισορρόπησή τους με το εκάστοτε προς βελτιστοποί-ηση μέγεθος.Η διατριβή αντιμετωπίζει το θέμα της διάχυσης πολλαπλών αντιγράφων πληροφορίαςστο δίκτυο αναπτύσσοντας ένα σχήμα που βασίζεται στην τεχνική της κωδικοποίησης δι-κτύου. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά πρωτόκολλα δρομολόγησης/προώθησης που προω-θούν ή αντιγράφουν την αποθηκευμένη πληροφορία, η τεχνική κωδικοποίησης δικτύου επε-ξεργάζεται την πληροφορία των κόμβων, συνδυάζοντας κατάλληλα τα αποθηκευμένα πα-κέτα και προωθώντας, τελικά, κατάλληλο συνδυασμό αυτών στον κόμβο με τον οποίο έχεισυναφθεί επικοινωνία. Η διατριβή εφαρμόζει την τεχνική της γραμμικής κωδικοποίησης δι-κτύου, που είναι κατάλληλη για αυτο-οργανούμενα δίκτυα με αυτόνομους κόμβους, καθώς ογραμμικός συνδυασμός των αποθηκευμένων πακέτων προκύπτει από πολλαπλασιασμό αυ-τών με γραμμικές συνιστώσες που οι κόμβοι επιλέγουν τυχαία από ένα αρκούντως μεγάλο5πεπερασμένο πεδίο. Το προτεινόμενο NC/MMA σχήμα βασίζεται τόσο στην τεχνική κωδικο-ποίησης δικτύου για την προώθηση της πληροφορίας όσο και στην κατάλληλη αποθήκευσηαυτής στους περιοριμένους αποθηκευτικούς πόρους των κόμβων. Τα αριθμητικά αποτελέ-σματα των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν αποδεικνύουν ότι το NC/MMA σχήμαεπιτυγχάνει δραστική μείωση της πλεονάζουσας πληροφορίας που διακινείται στο δίκτυοκαι, κατ’ επέκταση, μείωση της κατανάλωσης ενέργειας λόγω μετάδοσης μηνυμάτων, επε-κτείνοντας τη διάρκεια ζωής του δικτύου. Παράλληλα, διατηρείται η πιθανότητα και η καθυ-στέρηση παράδοσης της πληροφορίας ενώ σε ορισμένες προσομοιώσεις παρατηρείται ακόμηκαι βελτίωση αυτών.Στο πλαίσιο της ελεγχόμενης κινητικότητας, η διατριβή αξιοποιεί την κίνηση των κόμ-βων αναπτύσσοντας ένα σχήμα που παρακινεί τους κόμβους σε αυτο-κίνηση, λαμβάνονταςυπόψη τους εναπομένοντες ενεργειακούς τους πόρους και το ρυθμό επαφών στο δίκτυο. Έχειαποδειχθεί επενειλημμένα στη σχετική βιβλιογραφία ότι η κινητικότητα των κόμβων, εκτόςαπό τις προκλήσεις που δημιουργεί σχετικά με τη δυναμική τοπολογία του δικτύου, αυξάνειτην πιθανότητα συνάντησης των κόμβων. Ωστόσο, η κινητικότητα των κόμβων σχετίζεταικαι με αυξημένη κατανάλωση ενέργειας λόγω της φυσικής κίνησης των κόμβων και της αυ-ξημένης συχνότητας με την οποία αυτοί ανιχνεύουν/σαρώνουν το δίκτυο ενόσω βρίσκονταισε κίνηση. Το προτεινόμενο σχήμα καλείται να αντιμετωπίσει το εξής δίλημμα των κόμ-βων: να κινηθούν με στόχο την αύξηση της πιθανότητας εύρεσης κόμβου εντός εμβέλειαςή να μείνουν ακίνητοι προσδοκώντας ότι κάποιος άλλος κόμβος του δικτύου θα κινηθεί.Το δίλημμα αυτό σε συνδυασμό με την αντίστοιχη σχέση ανταλλαγής μεταξύ του κόστουςκίνησης και της πιθανότητας συνάντησης κόμβων του δικτύου αντιμετωπίζονται στη δια-τριβή. Η μαθηματική διατύπωση του σχετικού προβήματος διαχείρισης της κινητικότηταςκόμβων που ανήκουν σε δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση πραγματοποιείται με χρήση τηςθεωρίας παιγνίων που αποτελεί το κατεξοχήν εργαλείο μαθηματικής διατύπωσης σχέσεωνανταλλαγής. Τα αριθμητικά αποτελέσματα φανερώνουν ότι το προτεινόμενο σχήμα προσφέ-ρει σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τη σχετικά μικρότερημείωση στην πιθανότητα συνάντησης. Σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα ανεκτικά σε μείωση τηςπιθανότητας συνάντησης, το προτεινόμενο σχήμα μπορεί να προσφέρει σημαντική επέκτασητης διάρκειας ζωής.Στο πλαίσιο της ενεργητικής ανίχνευσης του δικτύου, η διατριβή προτείνει ένα αυτόνομοσχήμα που παρακινεί τους κόμβους σε εκπομπή σημάτων ανίχνευσης δικτύου λαμβάνονταςυπόψη τους εναπομένοντες ενεργειακούς τους πόρους και το ρυθμό επαφών στο δίκτυο. Ενώη ανίχνευση δικτύου σε αραιά δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση αποτελεί το μόνο τρόπο σύ-ναψης επικοινωνίας με κόμβους που βρίσκονται εντός εμβέλειας, λανθασμένη σχεδίαση τηςδιαδικασίας αυτής ενδέχεται να οδηγήσει σε άσκοπη κατανάλωση ενέργειας ή σε απώλειαευκαιριών σύναψης επικοινωνίας με κόμβους εντός εμβέλειας. Δεδομένου του ενεργειακούκόστους εκπομπής σήματος ανίχνευσης, το προτεινόμενο σχήμα καλείται να αντιμετωπίσειτο εξής δίλημμα των κόμβων: να εκπέμψουν σήμα ανίχνευσης με στόχο τον εντοπισμό κόμ-βου εντός εμβέλειας ή να μην εκπέμψουν, προσδοκώντας ότι κάποιος άλλος κόμβος τουδικτύου θα το πράξει. Το δίλημμα αυτό σε συνδυασμό με την αντίστοιχη σχέση ανταλλαγήςμεταξύ του κόστους ανίχνευσης και της πιθανότητας επικοινωνίας μεταξύ δύο κόμβων τουδικτύου αντιμετωπίζονται στη διατριβή με εφαρμογή της θεωρίας παιγνίων. Τα αριθμητικάαποτελέσματα δείχνουν ότι το προτεινόμενο σχήμα επιτυγχάνει σημαντική μείωση της μέ-σης κατανάλωσης ενέργειας για την ανίχνευση του δικτύου, διατηρώντας, παράλληλα, έναελάχιστο αποδεκτό επίπεδο της πιθανότητας επικοινωνίας. Σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα πουεπιδέχονται μείωση της πιθανότητας επικοινωνίας, το προτεινόμενο σχήμα μπορεί να επε-κτείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής.Συνοψίζοντας, η διατριβή συμβάλλει ερευνητικά στην αντιμετώπιση της εξοικονόμησηενέργειας στα ενεργειακά περιορισμένα δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση.