Εξοικονόμηση ενέργειας σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση
Authors: Βαζιντάρη Άννα 
Published: September 2021

Η διατριβή μελετά την εξοικονόμηση ενέργειας σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση που αποτελούνται από αυτόνομους και ενεργειακά περιορισμένους κόμβους. Συγκεκριμένα, η διατριβή αντιμετωπίζει την κατανάλωση ενέργειας σε τρεις κρίσιμες από πλευράς ενεργειακής κατανάλωσης λειτουργίες, τη μετάδοση πολλαπλών αντιγράφων πληροφορίας στο δίκτυο, την ελεγχόμενη κινητικότητα των κόμβων του δικτύου και την ενεργητική ανίχνευση δικτύου που αυτοί επιτελούν. Η δυναμική φύση των δικτύων ανεκτικών σε καθυστέρηση, για την οποία οφείλονται οι συχνές αποσυνδέσεις λόγω εξάντλησης των ενεργειακών πόρων ή της αραιής κατανομής των κόμβων στην περιοχή ανάπτυξής τους, επιτάσσει την ανεξάρτητη δράση των ενδιάμεσων κόμβων που έχουν στόχο την παράδοση της πληροφορίας στους κόμβους-προορισμούς. Στο πλαίσιο αυτό, οι αυτόνομοι κόμβοι παρακινούνται άλλοτε στη μετάδοση πολλαπλών αντιγράφων της αποθηκευμένης πληροφορίας τους προκειμένου να εξασφαλίσουν ότι αυτή θα φθάσει στον προορισμό της, άλλοτε στην αυτο-κίνηση (κίνηση που καθορίζεται από τον ίδιο κόμβο), ώστε να αυξηθεί η πιθανότητα συνάντησης κόμβων εντός εμβέλειας, και άλλοτε στην εκπομπή συχνών σημάτων ανίχνευσης δικτύου προκειμένου να αξιοποιήσουν όποια ευκαιρία σύναψης επικοινωνίας με κόμβο εντός εμβέλειας προκύψει. Και οι τρεις αυτές διαδικασίες μπορούν να αποβούν εξαιρετικά ενεργοβόρες αν τα σχήματα που προτιμώνται για την αντιμετώπιση των αντίστοιχων επιπτώσεων δεν σχεδιαστούν κατάλληλα, κατά κύριο λόγο λαμβάνοντας υπόψη τα ενεργειακά αποθέματα των κόμβων με στόχο την εξισορρόπησή τους με το εκάστοτε προς βελτιστοποίηση μέγεθος. Η διατριβή αντιμετωπίζει το θέμα της διάχυσης πολλαπλών αντιγράφων πληροφορίας στο δίκτυο αναπτύσσοντας ένα σχήμα που βασίζεται στην τεχνική της κωδικοποίησης δικτύου. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά πρωτόκολλα δρομολόγησης/προώθησης που προωθούν ή αντιγράφουν την αποθηκευμένη πληροφορία, η τεχνική κωδικοποίησης δικτύου επεξεργάζεται την πληροφορία των κόμβων, συνδυάζοντας κατάλληλα τα αποθηκευμένα πακέτα και προωθώντας, τελικά, κατάλληλο συνδυασμό αυτών στον κόμβο με τον οποίο έχει συναφθεί επικοινωνία. Η διατριβή εφαρμόζει την τεχνική της γραμμικής κωδικοποίησης δικτύου, που είναι κατάλληλη για αυτο-οργανούμενα δίκτυα με αυτόνομους κόμβους, καθώς ο γραμμικός συνδυασμός των αποθηκευμένων πακέτων προκύπτει από πολλαπλασιασμό αυτών με γραμμικές συνιστώσες που οι κόμβοι επιλέγουν τυχαία από ένα αρκούντως μεγάλο πεπερασμένο πεδίο. Το προτεινόμενο NC/MMA σχήμα βασίζεται τόσο στην τεχνική κωδικοποίησης δικτύου για την προώθηση της πληροφορίας όσο και στην κατάλληλη αποθήκευση αυτής στους περιορισμένους αποθηκευτικούς πόρους των κόμβων. Τα αριθμητικά αποτελέσματα των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν αποδεικνύουν ότι το NC/MMA σχήμα επιτυγχάνει δραστική μείωση της πλεονάζουσας πληροφορίας που διακινείται στο δίκτυο και, κατ’ επέκταση, μείωση της κατανάλωσης ενέργειας λόγω μετάδοσης μηνυμάτων, επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής του δικτύου. Παράλληλα, διατηρείται η πιθανότητα και η καθυστέρηση παράδοσης της πληροφορίας ενώ σε ορισμένες προσομοιώσεις παρατηρείται ακόμη και βελτίωση αυτών. Στο πλαίσιο της ελεγχόμενης κινητικότητας, η διατριβή αξιοποιεί την κίνηση των κόμβων αναπτύσσοντας ένα σχήμα που παρακινεί τους κόμβους σε αυτο-κίνηση, λαμβάνοντας υπόψη τους εναπομένοντες ενεργειακούς τους πόρους και το ρυθμό επαφών στο δίκτυο. Έχει αποδειχθεί επανειλημμένα στη σχετική βιβλιογραφία ότι η κινητικότητα των κόμβων, εκτός από τις προκλήσεις που δημιουργεί σχετικά με τη δυναμική τοπολογία του δικτύου, αυξάνει την πιθανότητα συνάντησης των κόμβων. Ωστόσο, η κινητικότητα των κόμβων σχετίζεται και με αυξημένη κατανάλωση ενέργειας λόγω της φυσικής κίνησης των κόμβων και της αυξημένης συχνότητας με την οποία αυτοί ανιχνεύουν/σαρώνουν το δίκτυο ενόσω βρίσκονται σε κίνηση. Το προτεινόμενο σχήμα καλείται να αντιμετωπίσει το εξής δίλημμα των κόμβων: να κινηθούν με στόχο την αύξηση της πιθανότητας εύρεσης κόμβου εντός εμβέλειας ή να μείνουν ακίνητοι προσδοκώντας ότι κάποιος άλλος κόμβος του δικτύου θα κινηθεί. Το δίλημμα αυτό σε συνδυασμό με την αντίστοιχη σχέση ανταλλαγής μεταξύ του κόστους κίνησης και της πιθανότητας συνάντησης κόμβων του δικτύου αντιμετωπίζονται στη δια-τριβή. Η μαθηματική διατύπωση του σχετικού προβλήματος διαχείρισης της κινητικότητας κόμβων που ανήκουν σε δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση πραγματοποιείται με χρήση της θεωρίας παιγνίων που αποτελεί το κατεξοχήν εργαλείο μαθηματικής διατύπωσης σχέσεων ανταλλαγής. Τα αριθμητικά αποτελέσματα φανερώνουν ότι το προτεινόμενο σχήμα προσφέρει σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τη σχετικά μικρότερη μείωση στην πιθανότητα συνάντησης. Σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα ανεκτικά σε μείωση της πιθανότητας συνάντησης, το προτεινόμενο σχήμα μπορεί να προσφέρει σημαντική επέκταση της διάρκειας ζωής. Στο πλαίσιο της ενεργητικής ανίχνευσης του δικτύου, η διατριβή προτείνει ένα αυτόνομο σχήμα που παρακινεί τους κόμβους σε εκπομπή σημάτων ανίχνευσης δικτύου λαμβάνοντας υπόψη τους εναπομένοντες ενεργειακούς τους πόρους και το ρυθμό επαφών στο δίκτυο. Ενώ η ανίχνευση δικτύου σε αραιά δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση αποτελεί το μόνο τρόπο σύναψης επικοινωνίας με κόμβους που βρίσκονται εντός εμβέλειας, λανθασμένη σχεδίαση της διαδικασίας αυτής ενδέχεται να οδηγήσει σε άσκοπη κατανάλωση ενέργειας ή σε απώλεια ευκαιριών σύναψης επικοινωνίας με κόμβους εντός εμβέλειας. Δεδομένου του ενεργειακού κόστους εκπομπής σήματος ανίχνευσης, το προτεινόμενο σχήμα καλείται να αντιμετωπίσει το εξής δίλημμα των κόμβων: να εκπέμψουν σήμα ανίχνευσης με στόχο τον εντοπισμό κόμβου εντός εμβέλειας ή να μην εκπέμψουν, προσδοκώντας ότι κάποιος άλλος κόμβος του δικτύου θα το πράξει. Το δίλημμα αυτό σε συνδυασμό με την αντίστοιχη σχέση ανταλλαγής μεταξύ του κόστους ανίχνευσης και της πιθανότητας επικοινωνίας μεταξύ δύο κόμβων του δικτύου αντιμετωπίζονται στη διατριβή με εφαρμογή της θεωρίας παιγνίων. Τα αριθμητικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το προτεινόμενο σχήμα επιτυγχάνει σημαντική μείωση της μέσης κατανάλωσης ενέργειας για την ανίχνευση του δικτύου, διατηρώντας, παράλληλα, ένα ελάχιστο αποδεκτό επίπεδο της πιθανότητας επικοινωνίας. Σε αυτο-οργανούμενα δίκτυα που επιδέχονται μείωση της πιθανότητας επικοινωνίας, το προτεινόμενο σχήμα μπορεί να επεκτείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής. Συνοψίζοντας, η διατριβή συμβάλλει ερευνητικά στην αντιμετώπιση της εξοικονόμησης ενέργειας στα ενεργειακά περιορισμένα δίκτυα ανεκτικά σε καθυστέρηση.