Applications of optimal stopping theory in communication networks
Authors: Κουτσιουμπός Μιχαήλ 
Published: May 2024

Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη μίας κατηγορίας ασύρματων δικτύων όπου η φόρτιση των κόμβων πραγματοποιείται με ασύρματο τρόπο μέσω ενός σταθμού βάσης που λειτουργεί ως πηγή ενέργειας.Εξοπλίζοντας τον κάθε αισθητήρα-κόμβο με τα κατάλληλα κυκλώματα μπορούμε να παρέχουμε αποτελεσματικά μια σταθερή πηγή τροφοδοσίας με έναν τρόπο οικονομικό και εύκολα εφαρμόσιμο. Προφανώς όπως σε κάθε ασύρματη μετάδοση, υπάρχουν παράγοντες που μπορούν να υποβαθμίσουν τη διαδικασία φόρτισης, όπως η ποιότητα του καναλιού μετάδοσης, η απόσταση του αισθητήρα από την πηγή ενέργειας και τα πιθανά φυσικά ή τεχνητά εμπόδια μεταξύ πομπού-δέκτη. Στα ακόλουθα κεφάλαια επικεντρωνόμαστε σε προβλήματα που αφορούν τη διαδικασία φόρτισης και την επίδραση της μεθόδου αυτής στην ποιότητα λειτουργίας του δικτύου, όταν αυτό χρησιμοποιείται για την ανίχνευση κρίσιμων συμβάντων ή για την παρακολούθηση περιβαλλοντικών παραμέτρων. Στο τρίτο κεφάλαιο μοντελοποιούμε την διαδικασία φόρτισης θεωρώντας ότι ο σταθμός βάσης εκπέμπει στην millimeter wave περιοχή συχνοτήτων όπου για τους σταθμούς βάσης 5ης γενιάς κυμαίνεται μεταξύ 24GHz και 40GHz. Η χρήση του συγκεκριμένου φάσματος μας δίνει αρκετά πλεονεκτήματα μιας και η κατευθυντικότητα του σήματος βελτιστοποιεί την διαδικασία φόρτισης. Στο ίδιο κεφάλαιο προτείνουμε ένα νέο πρωτόκολλο επικοινωνίας κατά το οποίο όταν ο λοβός ακτινοβολίας στρέφεται προς έναν αισθητήρα, ο αισθητήρας πρώτα φορτίζει για συγκεκριμένη χρονική περίοδο και στην συνέχεια επικοινωνεί με το σταθμό βάσης είτε για να αποστείλει κάποιες βασικές μετρήσεις ή για να ενημερώσει στην περίπτωση ενός συμβάντος.Το πρώτο πρόβλημα που εξετάζουμε και παρουσιάζεται στο 4ο κεφάλαιο σχετίζεται με τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας φόρτισης από την πλευρά του σταθμού βάσης στην περίπτωση αργών μεταβολών του καναλιού και σπάνιων κρίσιμων συμβάντων. Στην περίπτωση αυτή, ο σταθμός βάσης μπορεί να εξάγει αξιόπιστες εκτιμήσεις για το επίπεδο φόρτισης των κόμβων, μέσω μηνυμάτων αναφοράς από τους κόμβους, και λειτουργώντας προδραστικά να προσαρμόσει τον τρόπο φόρτισης.Βασιζόμενοι στις πληροφορίες που λαμβάνει ο σταθμός βάσης για το επίπεδο φόρτισης του κάθε αισθητήρα προτείνουμε δύο αλγορίθμους που καθορίζουν πώς θα κινείται ο λοβός ακτινοβολίας μεταξύ των περιοχών. Τα αποτέλεσμα αποδεικνύουν ότι και οι δύο αλγόριθμοι υπερτερούν σε σύγκριση με τις συνήθεις διαδικασίες(κυκλική, τυχαία). Το πρόβλημα που εξετάζουμε στην συνέχεια και παρουσιάζεται στο 5ο κεφάλαιο, επικεντρώ\-νεται σε ένα δίκτυο αισθητήρων που παρακολουθεί μία περιοχή για πιθανά συμβάντα παρουσία υψηλού θορύβου μετρήσεων. Συγκεκριμένα, οι αισθητήρες θα πρέπει αυτόνομα να αναγνωρίζουν ένα συμβάν, όπως αυτό εκφράζεται ως αλλαγή στην κατανομή μίας μετρήσιμης παραμέτρου, και να μεταδίδουν τις σχετικές πληροφορίες στο σταθμό βάσης. Όμως, σε θορυβώδη περιβάλλοντα, αυξάνεται ο ρυθμός των ψευδών συναγερμών με αποτέλεσμα οι κόμβοι εσφαλμένα να μεταδίδουν συχνότερα προς το σταθμό βάσης και να εξαντλούν τα ενεργειακά τους αποθέματα. Προσεγγίζουμε το πρόβλημα ως ένα πρόβλημα βέλτιστης παύσης όπου για να ξεπεράσουμε την επίδραση των υψηλών επιπέδων θορύβου στις μετρήσεις επιβάλουμε πριν τον αλγόριθμο ανίχνευσης μια φάση εξομάλυνσης της κατανομής της μετρήσιμης παραμέτρου. Προτείνουμε δύο μεθόδους εξομάλυνσης μια κλασσική τεχνική βασιζόμενη σε AR φίλτρα και μια νέα η οποία βασίζεται σε Beta Particle φίλτρα. Η αποτελεσματικότητα του κάθε φίλτρου στο σχήμα ανίχνευσης αναλύθηκε μέσω προσομοιώσεων.Τέλος στο 6ο κεφάλαιο εξετάζουμε την περίπτωση που το δίκτυο χρησιμοποιείται για την περιοδική αποστολή μετρήσεων από μια περιοχή ενδιαφέροντος. Στόχος μας είναι να αναδείξουμε τις ιδιαιτερότητες ενός τέτοιου δικτύου και παράλληλα να προτείνουμε μια διαδικασία προγραμματισμού της αποστολής δεδομένων από τον κάθε αισθητήρα, λαμβά\-νοντας υπόψιν το επίπεδο φόρτισης του. Ο λόγος είναι ότι τα δίκτυα αισθητήρων που φορτίζονται ασύρματα, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες όπως η θέση του αισθητήρα η ποιότητα του καναλιού, αδυνατούν να στείλουν επιτυχώς τις μετρήσεις τους. Συνεπώς η λύση που προτείνουμε βασίζεται στην θεωρία των Markov διαδικασιών απόφασης και η λογική είναι ότι επιτρέπουμε αυτόνομα στον αισθητήρα να επιλέξει αν θα μεταδώσει άμεσα ή θα περιμένει την επόμενη περίοδο ώστε να είναι επαρκώς φορτισμένος.