Multi-layer IoT resource management
Authors: Παναγίδη Κυριακή 
Published: September 2021

Το Διαδίκτυο των πραγμάτων (Internet of Things - IoT) είναι ένα από τα πιο ελπιδοφόρα παραδείγματα της τρέχουσας δεκαετίας που χαρακτηρίζεται από τη χρήση έξυπνων και αυτόνομα διαμορφωμένων αντικειμένων, όπως αισθητήρες, actuators, wearables, κλπ., που συνδέονται με το Διαδίκτυο και ανταλλάσσουν δεδομένα με στόχο την έγκαιρη ανίχνευση συμβάντων, αντίδραση σε αυτά, και την αλληλεπίδραση τους με το περιβάλλον. Επιπλέον, μη επανδρωμένες κινητές συσκευές, π.χ. drones, εισήχθησαν στην καθημερινή ζωή των χρηστών την τελευταία δεκαετία και έγιναν μέρος του συνόλου των "αντικειμένων" που συμμετέχουν στο IoT εφόσον φέρουν εξοπλισμό ανίχνευσης και ενσωματωμένα στοιχεία υπολογιστών. Αυτές οι δυνατότητες ανίχνευσης και υπολογιστικής ικανότητας ενισχύουν την ενσωματωμένη στο δίκτυο ευφυΐα και επιτρέπουν την πραγματοποίηση σύνθετων εργασιών με πολύ κατανεμημένο τρόπο, εξισορροπώντας το φορτίο σε όλη την υποδομή και καθιστώντας τις επικοινωνίες πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικές στο νεοεισαχθέν κινητό Διαδίκτυο των πραγμάτων. Το χαρακτηριστικό της κίνησης τους στο χώρο και στο χρόνο προσθέτει έναν νέο βαθμό ελευθερίας στις ανάγκες της παρακολούθησης στο IoT δημιουργώντας τα κινητά δίκτυα IoT. Όλα τα αντικείμενα IoT συμβάλουν στη δημιουργία ενός τεράστιου όγκου δεδομένων που απαιτούν σύνθετη επεξεργασία προκειμένου να μετατραπούν από δεδομένα σε χρήσιμες πληροφορίες ή υπηρεσίες. Σε αυτό το νέο δυναμικό τοπίο, είναι απαραίτητο να υπάρχει μια επαρκής αρχιτεκτονική που να μπορεί να ενσωματώνει ετερογενείς ροές πληροφοριών και να παρέχει υπηρεσίες με αποδεκτή ποιότητα στους χρήστες. Η υλοποίηση ενός συστήματος IoT πρέπει να λαμβάνει υπόψη πολλούς περιορισμούς που σχετίζονται με τη συσκευή (κατανάλωση ρεύματος, επεξεργασία δικτύου, διάρκεια ζωής της μπαταρίας κ.λπ.), με το στοχαστικό χαρακτήρα του υποκείμενου δικτύου (καθυστέρηση, χρήση εύρους ζώνης, λανθάνουσα κατάσταση κ.λπ.) και το επικαλυπτόμενο midddleware που είναι απαραίτητο για τη συνένωση μεγάλων όγκων ροών πληροφοριών και την παροχή υπηρεσιών στους χρήστες. Ως εκ τούτου απαιτείται η χρήση αρχιτεκτονικής για τη διαχείριση των ΙοΤ πόρων η οποία να μπορεί να παρακολουθεί την απόδοση των μονάδων που συμμετέχουν σε διαφορετικά επίπεδα στο σύστημα και να αποφασίζει να αναλάβει δράσεις με βάση τη βέλτιστη χρήση των πόρων προκειμένου να υποστηριχθεί η αξιόπιστη παροχή πληροφοριών με αποδεκτή ποιότητα υπηρεσίας προς τους χρήστες. Η διατριβή αυτή προτείνει το σχεδιασμό ενός πλαισίου διαχείρισης πόρων το οποίο μπορεί να παρακολουθεί χωρίς προηγούμενη γνώση πηγές πληροφοριών που παράγονται από συσκευές IoT, μπορεί να προβλέψει αλλαγές που διαταράσσουν την απόδοση του συστήματος και μπορεί να τις αντιμετωπίσει μέσω μηχανισμών απόφασης ώστε να διατηρήσει ένα επίπεδο αποδεκτής ποιότητας εξυπηρέτησης ενώ ταυτόχρονα εξοικονομεί πόρους. Τα προτεινόμενα κατανεμημένα μοντέλα λήψης αποφάσεων βασίζονται στη θεωρία βέλτιστης παύσης και στη θεωρία ανίχνευσης αλλαγών. Ξεκινώντας από την οπτική της συσκευής, παρουσιάζουμε την έρευνά μας για έναν δυναμικό κωδικοποιητή που προσαρμόζεται στις αλλαγές σε ακολουθίες πολυμεσικών ροών. Αυτός ο κωδικοποιητής προτείνει μια μέθοδο συμπίεσης προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα που παράγεται στη μεταδιδόμενη αλληλουχία πολυμέσων χωρίς να βλάπτεται το περιεχόμενο. Στη συνέχεια, μελετάμε τις επιδόσεις του υποκείμενου ασύρματου δικτύου και πώς οι αλλαγές στο περιβάλλον δικτύου μπορούν να επηρεάσουν και να διαταράξουν την αποστολή μη επανδρωμένων συσκευών και την τηλεμετρία που μεταδίδουν. Μελετάμε και αναλύουμε ένα μοντέλο λήψης απόφασης βελτιστοποιημένο κατά το χρόνο που προσαρμόζεται στις αλλαγές ποιότητας του δικτύου και εφαρμόζεται στα μη επανδρωμένα οχήματα, εφόσον η επικοινωνία μεταξύ των συσκευών και των σταθερών σταθμών ελέγχου μπορεί συχνά να παρεμποδιστεί, να υπερφορτωθεί ή να υποστεί υψηλό ποσοστό απώλειας πακέτων λόγω παραλλαγών του δικτύου. Τέλος, προτείνεται ένα στοχαστικό πλαίσιο βελτιστοποίησης της μονάδας ελέγχου σε πραγματικό χρόνο το οποίο εφαρμόζεται σε μια κατανεμημένη πλατφόρμα δεδομένων, καθώς οι κατανεμημένες πλατφόρμες διάδοσης δεδομένων είναι απαραίτητες στις υποδομές IoT για τη διαχείριση και την επεξεργασία των τεράστιων όγκων δεδομένων που ανταλλάσσονται μεταξύ συσκευών IoT. Τα ευρήματα των προτεινόμενων μοντέλων λήψης αποφάσεων σε αυτή τη διδακτορική διατριβή είναι πολλά υποσχόμενα και υποστηρίζουν σταθερά ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ευαίσθητων σε καθυστερήσεις με απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας σε περιβάλλοντα IoT.