Βελτιστοποίηση κατανάλωσης ενέργειας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με χρήση μεθόδων διαχείρισης τοπολογίας δικτύων
Authors: Ξενάκης Απόστολος-Θρασύβουλος 
Published: September 2021

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Α.Δ.Α.) έχουν συγκεντρώσει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών τα τελευταία χρόνια, δεδομένου ότι προσφέρουν μοναδικά πλεονεκτήματα και ευελιξία σχετικά με την ανίχνευση και μέτρηση φυσικών ποσοτήτων, ανοίγοντας το δρόμο για εφαρμογές χαμηλού κόστους και ισχύος οι οποίες δεν χρειάζονται ανθρώπινη παρέμβαση. Οι εφαρμογές αυτές μπορεί να είναι στρατιωτικές, περιβαλλογικές, βιομηχανική και οικιακή αυτοματοποίηση, υγείας και άλλες πολλές εμπορικές (παρακολούθηση κόπωσης υλικών, ρομποτικά συστήματα, μεταφορές, smart grid). Τα Α.Δ.Α δημιουργούνται και αυτο-οργανώνονται από τη συλλογή μεγάλου αριθμού κόμβων, οι οποίοι διασυνδέονται μεταξύ τους στο ασύρματο μέσο. Οι απλοί κόμβοι είναι ενσωματωμένα συστήματα με ολοκληρωμένα κυκλώματα που τους επιτρέπουν να λαμβάνουν σήματα, να επεξεργαστούν δεδομένα και να τα αποστείλουν σε έναν ή πολλούς τελικούς ή ενδιάμεσους προορισμούς. Κάθε κόμβος νοείται ως ένα ανεξάρτητο ηλεκτρομηχανολογικό σύστημα το οποίο διαθέτει περιορισμένα αποθέματα ενέργειας, τις περισσότερες φορές χωρίς τη δυνατότητα ανανέωσής τους. Ο κυριότερος λοιπόν περιοριστικός παράγοντας για τον σχεδιαμό και την ανάπτυξη ενός Α.Δ.Α. είναι η ενέργεια.Σημαντικές έρευνες έχουν λάβει χώρα στον τομέα των τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας, πολλές από τις οποίες επικεντρώνονται μόνο σε συγκεκριμένα επίπεδα της OSI αρχιτεκτονικής (physical layer, data link layer, network layer). Πολλές από τις λύσεις και τα πρωτόκολλα που εφαρμόζονται για την ενεργειακή διαχείριση σε κόμβους είναι δανεισμένα από λύσεις που αφορούν ασύρματα ad hoc δίκτυα και δεν έχουν προταθεί λύσεις βασισμένες σε cross-layer τεχνικές, λαμβάνοντας υπόψη τα μοναδικά χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς των Α.Δ.Α. Προς αυτή την κατεύθυνση κινείται η μελέτη σε αυτή την διδακτορική διατριβή. Στόχος της διατριβής είναι μέσω εφαρμογής τεχνικών cross-layer, μεθόδου βελτιστοποίησης, βέλτιστης χωροταξικής τοποθέτησης κόμβων και έξυπνης διαχείρισης ενεργειακών αποθεμάτων στους κόμβους να επιμηκυνθεί η συνολική διάρκεια ζωής ενός Α.Δ.Α. Αρχικά μελετήθηκαν τρόποι τοποθέτησης κόμβων σε εφαρμογές γεωργίας ακριβείας και προτάθηκαν τοπολογίες που ικανοποιούν κάποιους περιορισμούς, μειώνοντας την συνολική ενεργειακή κατανάλωση και αξιοποιώντας καλύτερα την διαθέσιμη ρυθμαπόδοση (throughput). Το πρόβλημα τοποθέτησης κόμβων σε χώρο συγκεκριμένων διαστάσεων, αφορά οποιαδήποτε εφαρμογή. Στη συνέχεια, προτείνουμε έναν αλγόριθμο, ο οποίος ανισοκατανέμει το συνολικό ενεργειακό απόθεμα ενός Α.Δ.Α στους διάφορους κόμβους, λαμβάνοντας υπόψη του την τοποθέτηση και τον ρόλο τους εντός της τοπολογίας του δικτύου. Αποδεικνύουμε ότι η διάρκεια ζωής του δικτύου επιμηκύνεται σε σημαντικό βαθμό. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας τον αλγόριθμο άνισης φόρτισης, ορίζουμε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που έχει ως στόχο να αυξήσει την κάλυψη του δικτύου (network coverage) και να επιμηκύνει την συνολική διάρκειά του (network lifetime). Λύνουμε το πρόβλημα αυτό μέσω τεχνικής βελτιστοποίησης Simulated Annealing η οποία χρησιμοποιείται σε πολύπλοκα συστήματα και NP complete προβλήματα. Αυτό που προτείνουμε είναι μία βέλτιστη χωροταξική τοποθέτηση των κόμβων στις δύο διαστάσεις, ικανοποιώντας τους περιορισμούς του προβλήματος. Για την στατιστική ευρωστία των αποτελεσμάτων μας, εφαρμόζουμε ιδέες από την θεωρία αξιοπιστίας (reliability theory), όπου προτείνουμε το καλύτερο set up το οποίο λύνει το πρόβλημα βελτιστοποίησης που ορίστηκε. Τέλος, προτείνουμε μία cross layer προσέγγιση βελτιστοποίησης ελέγχου ισχύος εκπομπής, μήκους πακέτου δεδομένων και τοπολογίας με στόχο την ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο.Αποδεικνύουμε ότι το πρόβλημα που ορίζουμε είναι NP-Complete και το λύνουμε με ευρετικό τρόπο (heuristic). Στόχος μας είναι η ελαχιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης όταν εφαρμοστούν τεχνικές error correction στο data link layer του OSI model. Προτείνουμε συνεπώς μία τελική και βέλτιστη τοπολογία κόμβων, τιμή μήκους πακέτου εκπομπής και τιμή ισχύς εκπομπής, ικανοποιώντας ταυτόχρονα τους περιορισμός του προβλήματος βελτιστοποίησης που ορίσαμε.Ως μελλοντική και φυσική συνέχεια της παρούσας εργασίας θα ήταν η 3D τοποθέτηση των κόμβων, ικανοποιώντας περισσότερους περιορισμούς και μεταβλητές που προκύπτουν από μία μορφοποίηση προβλήματος μέσω cross-layer τεχνικών.