Backbones for military multilayer wireless ad hoc networks based on networks science concepts
Authors: Παπακώστας Δημήτριος 
Published: September 2021

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζουμε στα στρατιωτικά πολυεπίπεδα ασύρματα δίκτυα και επενδύουμε στην τεχνολογία των ad hoc δικτύων προκειμένου να βελτιώσουμε την απόδοση τους. Οραματιζόμαστε τα Τακτικά ασύρματα δίκτυα να απαρτίζονται από στρώματα ad hoc δικτύων με κινούμενους κόμβους, τα οποία είναι αδιαφανώς συνδεδεμένα μεταξύ τους ως μέρος ενός απρόσκοπτου υπερδικτύου το οποίο επιτρέπει την άμεση ροή πληροφοριών μεταξύ των κόμβων του.Για την υλοποίηση αυτού του οράματος αρχικά βασιζόμαστε στη θεωρία των Connected node Dominating Sets (CDS) και προτείνουμε καινοτόμους αλγόριθμους οι οποίοι επιτυγχάνουν κατανεμημένα αποτελεσματική σύνδεση των ανωτέρω πολυεπίπεδων ad hoc δικτύων ώστε να μειωθεί η καθυστέρηση τους (latency), να βελτιωθεί η επεκτασιμότητά τους (scalability) και να αυξηθεί η διάρκεια της ζωής τους. Στη συνέχεια εξετάζουμε το πρόβλημα της αποτελεσματικής και ταυτόχρονα κατανεμημένης παρακολούθησης της διακίνησης δεδομένων εντός του πολυεπίπεδου ad hoc δικτύου. Ένα δύσκολο πρόβλημα, ιδιαίτερα αν αυτό πρόκειται να επιλυθεί μέσω της χρήσης κατανεμημένων αλγορίθμων, λόγω των προβλημάτων συντονισμού που έχουν να κάνουν με το πολυεπίπεδο περιβάλλον καθώς δύνανται να οδηγήσουν είτε σε απώλεια επικοινωνίας μεταξύ των επιπέδων του δικτύου είτε σε υπερβολική εξάρτηση αυτού από ένα συγκεκριμένο επίπεδό του. Για την επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος επενδύουμε στη θεωρία των Connected edge Dominating Sets (CEDS) και προτείνουμε νέους κατανεμημένους αλγορίθμους οι οποίοι υπολογίζουν για σκοπούς διαχείρισης ή/και παρακολούθησης του πολυεπίπεδου δικτύου μία επικάλυψη (overlay) αυτού η οποία εμπεριέχει μεγάλο αριθμό από διασυνδέσεις μεταξύ των επιπέδων του δικτύου έτσι ώστε η επικοινωνία μεταξύ αυτών να μη διακόπτεται εύκολα (είτε κατά λάθος είτε λόγω κακόβουλων επιθέσεων).Οι κύριες συνεισφορές της παρούσας διατριβής είναι: Παρουσιάζεται το πρόβλημα του υπολογισμού του (Minimum) Connected node Dominating Set (MCDS) σε πολυεπίπεδα δίκτυα το οποίο δεν έχει εξεταστεί μέχρι στιγμής στη βιβλιογραφία. Αποδεικνύουμε ότι, οι προσεγγίσεις είτε για επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος με βάση την αποσύνθεση του πολυεπίπεδου δικτύου στα επιμέρους επίπεδά του είτε για συσσωμάτωση των επιπέδων του ώστε αυτά επί της ουσίας να μην υφίστανται δε θα φέρουν το επιθυμητό αποτέλεσμα και τονίζουμε την ανάγκη για αξιολόγηση αλλά και περαιτέρω εκμετάλλευση των διασυνδέσεων που διαθέτουν οι κόμβοι του δικτύου ώστε αυτοί να θεωρηθούν ως υποψήφια μέλη του DS. Στο πλαίσιο αυτό, προτείνουμε μία ομάδα από μέτρα για τη μέτρηση της σημαντικότητας του κάθε κόμβου εντός του πολυεπίπεδου δικτύου ώστε να προσδιοριστεί η στρατηγική θέση καθενός από αυτούς. Επίσης, προτείνουμε αλγόριθμους οι οποίοι υπολογίζουν κατανεμημένα το επιζητούμενο MCDS και παρουσιάζουν ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με άλλους ευρέως χρησιμοποιούμενους αλγόριθμους.Παρουσιάζεται επίσης, το πρόβλημα της εύρεσης (Minimum) Connected Edge Dominating Set (MCEDS) σε πολυεπίπεδα δίκτυα. Αποδεικνύουμε ότι, το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι NP-hard και προτείνουμε μία τεχνική η οποία προσδίδει στους κόμβους του πολυεπίπεδου δικτύου αντίληψη αναφορικά με τη σπουδαιότητα των ακμών που ακουμπούν σε πάνω σε αυτούς. Επιπρόσθετα, προτείνουμε νέους ευριστικούς αλγόριθμους οι οποίοι υπολογίζουν κατανεμημένα το MCEDS. Προτείνεται επίσης, ένας καινοτόμος αλγόριθμος πρόβλεψης για χρήση στο περιβάλλον των Vehicle Ad hoc Networks (VANETs) ο οποίος με καθαρά κατανεμημένο τρόπο και λαμβάνοντας υπόψη του την ιστορία κίνησης ενός οχήματος πραγματοποιεί online ακριβείς προβλέψεις αναφορικά με τη μελλοντική τροχιά του. Η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με αντίστοιχους, υψηλής ακρίβειας, αλγόριθμους πρόβλεψης και τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ανωτερότητα της.