Τεχνικές συγκέντρωσης σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών
Authors: Βουλκίδης Αρτέμης 
Published: September 2021

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η σχεδίαση κατανεμημένων αλγορίθμων που αποσκοπούν στην επιμήκυνση της διάρκειας λειτουργίας ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων (Wireless Sensor Networks, WSN) με χρήση παραλλαγών της κλασικής θεωρίας παιγνίων. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει συνοπτική πληροφόρηση περί αυτόνομων συστημάτων και κατανεμημένου ελέγχου, εισάγοντας τον αναγνώστη στα βασικά χαρακτηριστικά των WSN. Στο Κεφάλαιο 2, γίνεται αναλυτική παρουσίαση των χαρακτηριστικών των WSN, των εφαρμογών τους καθώς και των βασικών τρόπων βελτίωσης της λειτουργίας τους. Παράλληλα, επιχειρείται επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας. Ιδιαίτερη έμφαση αποδίδεται στα σχήματα ομαδοποίησης κόμβων και συνάθροισης δεδομένων.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η θεωρία παιγνίων και ορισμένες παραλλαγές αυτής. Αρχικά, παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες των συνασπιστικών παιγνίων και των παιγνίων σχηματισμού συνασπισμών, έννοιες στις οποίες βασίζεται η ανάλυση που παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 4. Καθώς οι δύο αυτές παραλλαγές της κλασικής θεωρίας παιγνίων χρησιμοποιούνται ευρέως στη διεθνή βιβλιογραφία για τη μελέτη της διάδρασης μεταξύ συνόλων συνεργατικών παικτών, είναι ιδανικές για την υποστήριξη της θεωρητικής ανάλυσης του σχήματος ομαδοποίησης κόμβων που προτείνεται στο Κεφάλαιο 4. Στη συνέχεια, η έλλειψη πλήρους πληροφόρησης των παικτών ενός παιγνίου συζητείται στο πλαίσιο των παιγνίων Bayes και της συσχετισμένης ισορροπίας, καλύπτοντας τη θεωρία που απαιτείται για την κατανόηση του Κεφαλαίου 5.Στο Κεφάλαιο 4 προτείνεται μία μέθοδος σχηματισμού συνασπισμών που αποσκοπεί στη μεγιστοποίηση της διάρκειας λειτουργίας των WSN υπό συγκεκριμένες προδιαγραφές ακρίβειας/ποιότητας υπηρεσίας. Χρησιμοποιώντας μικρό πλήθος κόμβων --που καλούνται αντιπρόσωποι-- με αυξημένες υπολογιστικές και ενεργειακές δυνατότητες προτείνεται μία προσαρμοστική μέθοδος ομαδοποίησης κόμβων, σύμφωνα με την οποία γειτονικοί κόμβοι σχηματίζουν λειτουργικούς συνασπισμούς αποσκοπώντας στη μεγιστοποίηση της διάρκειας λειτουργίας τους, υπό αποδεκτή μείωση της ακρίβειας των μετρήσεών τους. Στη συνέχεια, οι αντιπρόσωποι βελτιστοποιούν τη δομή των ομαδοποιημένων κόμβων. Η προτεινόμενη μέθοδος αξιοποιεί τη χωρική συσχέτιση των υπό παρακολούθηση φυσικών φαινομένων για τη δημιουργία ενός συνεργατικού σχήματος που μειώνει σημαντικά το μέσο πλήθος μεταδόσεων των κόμβων. Οι προδιαγραφές ακρίβειας που χαρακτηρίζουν την αποδεκτή λειτουργία του WSN καθορίζουν την έκταση της ομαδοποίησης των κόμβων. Οι επιδόσεις και η σταθερότητα της προτεινόμενης μεθόδου επέκτασης της διάρκειας λειτουργίας WSN δικτύων εξετάζονται μέσω προσομοιώσεων.Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει μια μέθοδο βασισμένη στην έννοια των συσχετισμένων στρατηγικών για τη μεγιστοποίηση της διάρκειας λειτουργίας WSN πολλαπλών υπηρεσιών, εξασφαλίζοντας την καθολική υποστήριξη των υπηρεσιών σε όλη τη γεωγραφική έκταση του WSN. Η μεγιστοποίηση της διάρκειας λειτουργίας ενός WSN πολλαπλών υπηρεσιών εξετάζεται ως παίγνιο πολλαπλών παικτών μεταξύ των κόμβων πολλαπλών λειτουργιών. Καθώς η εφαρμογή καθαρών στρατηγικών οδηγεί σε σταθερή αλλά όχι βέλτιστη κατανομή των κόμβων στις υποστηριζόμενες υπηρεσίες, διατυπώνεται μια προσέγγιση συσχετισμένων στρατηγικών για να οδηγήσει τη λειτουργία του WSN κοντά στη θεωρητικά βέλτιστη με κριτήριο τη διάρκεια λειτουργίας του. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων καταδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος οδηγεί τη λειτουργία ενός WSN πολλαπλών υπηρεσιών κοντά στη θεωρητικά προβλεπόμενη βέλτιστη χωρίς να απαιτεί την ανταλλαγή σημαντικού πλήθους μηνυμάτων μεταξύ των κόμβων του WSN.