Energy aware routing in wireless sensor networks
Authors: Δεμερτζής Απόστολος 
Published: August 2021

Αυτή η διατριβή ασχολείται με μεγάλης κλίμακας, πολλά-προς-ένα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων και το πρόβλημα της εξισορρόπησης του φορτίου και της κατανάλωσης ενέργειας. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από έναν μεγάλο αριθμό αισθητήρων-κόμβων, οι οποίοι καλύπτουν μια γεωγραφική περιοχή. Σκοπός του δικτύου είναι η συλλογή των μετρήσεων σε ένα σημείο του δικτύου, για παράδειγμα σε κάποιον σταθμό βάσης, επίσης γνωστό ως απορροφητή (sink). Λόγω των περιορισμένων πόρων, οι κόμβοι πρέπει να χρησιμοποιούν τους γείτονές τους προκειμένου να επιτύχουν την επιδιωκόμενη λειτουργικότητα. Αντί να μεταδίδουν απευθείας στον απορροφητή, κάτι το οποίο θα απαιτούσε ισχυρό ενισχυτή στη κεραία, μεταφέρουν τα δεδομένα από κόμβο σε κόμβο με την μέθοδο των πολλαπλών-βημάτων (multi-hop). Αν τα δεδομένα ταξιδεύουν ασυμπίεστα τότε οι κόμβοι πιο κοντά στον απορροφητή είναι υποχρεωμένοι να μεταδίδουν περισσότερα πακέτα απ' ότι οι πιο απομακρυσμένοι, γι' αυτό μένουν από ενέργεια πολύ σύντομα. Αυτό το θέμα είναι γνωστό ως ενεργειακή οπή (energy hole) και προκαλείται από την άνιση κατανομή του φορτίου λόγω αυξημένης κυκλοφορίας (traffic) ανάμεσα στις διαφορετικές περιοχές του δικτύου.Η έννοια του φορτίου είναι κομβικής σημασίας στα μεγάλης κλίμακας ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, όπου οι κόμβοι συνήθως σκορπίζονται τυχαία, αφού η τοποθέτηση σε συγκεκριμένες θέσεις δεν είναι μια πρακτική επιλογή. Λόγω αυτής της τυχαιότητας είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούμε μέσες τιμές για σχεδόν όλα τα μεγέθη του δικτύου, με το φορτίο να μην αποτελεί εξαίρεση. Όμως, ένας συνεπής ορισμός για το μέσο φορτίο δεν είναι προφανής, αφού το φορτίο του κάθε κόμβου και η θέση του είναι τυχαίες μεταβλητές. Η υπάρχουσα βιβλιογραφία παρακάμπτει την τυχαιότητα με το να υπολογίζει την μέση τιμή μεταξύ κόμβων που έτυχε να βρεθούν ο ένας κοντά στον άλλο, μέσα σε μικρές περιοχές. Αυτή η προσέγγιση είναι ανεπαρκής, επειδή η μέση τιμή φορτίου μιας επιφάνειας είναι και αυτή τυχαία μεταβλητή και επίσης δεν μας επιτρέπει να χειριστούμε μεμονωμένα σημεία. Αυτή η διατριβή παρέχει έναν ορισμό για την μέση τιμή του φορτίου μιας επιφάνειας, βασισμένη στο στατιστικό μέγεθος της αναμενόμενης τιμής, ενώ η μέση τιμή φορτίου ενός σημείου θεωρείται ως το φορτίο μιας επιφάνειας που μειώνεται (ή συρρικνώνεται) σ' αυτό το σημείο. Αυτοί οι νέοι ορισμοί εφαρμόζονται στην περίπτωση του φορτίου κυκλοφορίας (traffic load) στα δίκτυα πολλαπλών-βημάτων. Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα δείχνει ότι το φορτίο κυκλοφορίας αυξάνεται σε βήματα. Η απλούστερη μορφή αυτού του αποτελέσματος είναι το σταθερό βήμα, το οποίο καταλήγει σε μια αναλυτική έκφραση για το φορτίο κυκλοφορίας. Μια σύγκριση με μερικά πραγματικά δίκτυα (μέσω προσομοιώσεων) δείχνει ότι τα περισσότερα απ' αυτά περιγράφονται με ακρίβεια από το μοντέλο σταθερού βήματος.Η άνιση κατανομή του φορτίου κυκλοφορίας είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται σε πολλά επίπεδα. Εκτός από το γνωστό πρόβλημα της ενεργειακής οπής, δηλαδή, οι κόμβοι κοντά στον απορροφητή καταναλώνουν πολύ περισσότερη ενέργεια απ' ότι οι πιο απομακρυσμένοι, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως μια καθολική διακύμανση του φορτίου, υπάρχει επίσης μία ακόμα πιο έντονη διακύμανση του φορτίου κυκλοφορίας ανάμεσα σε κόμβους με την ίδια απόσταση από τον απορροφητή, η οποία μπορεί να περιγραφεί ως μία τοπική διακύμανση του φορτίου. Αυτή η άνιση κατανομή του φορτίου, τόσο καθολικά όσο και τοπικά, έχει ως αποτέλεσμα τη πολύ μεγάλη μείωση του χρόνου μέχρι ο πρώτος κόμβος να μείνει χωρίς ενέργεια μπαταρίας. Αυτή η διατριβή προτείνει μία μέθοδο εξισορρόπησης του φορτίου των κόμβων που ισαπέχουν από τον απορροφητή, μοιράζοντας την κυκλοφορία κάθε κόμβου μεταξύ των κόμβων του επόμενου βήματος (next hop nodes). Τελικά τα πακέτα ταξιδεύουν από τον κάθε κόμβο προς τον απορροφητή ακολουθώντας πεπλεγμένες διαδρομές. Ο προτεινόμενος μηχανισμός δρομολόγησης, ο οποίος ονομάζεται δρομολόγηση πλεξούδα (braided routing), είναι απλός και μπορεί να εφαρμοστεί πάνω σε οποιαδήποτε δρομολόγηση βασισμένη σε κόστος, προκαλώντας ασήμαντη επιβάρυνση (overhead). Αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι η τοπική διακύμανση του φορτίου μειώνεται κατά 20-60% κατά μέσο όρο, ενώ ο χρόνος μέχρι τον πρώτο θάνατο κόμβου μπορεί ακόμη και να διπλασιαστεί σε μερικές περιπτώσεις και ο χρόνος ζωής αυξάνεται κατά 15% περίπου. Δρομολόγηση προσανατολισμένη στην ενέργεια είναι ένα δύσκολο έργο, λόγω της ύπαρξης της ενεργειακής οπής. Λαμβάνοντας υπόψη την αδυναμία διαδρομής (path impotence), δηλαδή, μία μετρική βασισμένη στην απόσταση μετάδοσης και στο υπόλοιπο ενέργειας της μπαταρίας του κόμβου, προτείνεται σ' αυτή την εργασία μία προσαρμοζόμενη δρομολόγηση η οποία επιτρέπει τους κόμβους να επιλέγουν διαφορετικό πατρικό κόμβο για να προωθήσουν τα πακέτα δεδομένων τους προς τον απορροφητή. Μια μεγάλη διαφορά από τις συμβατικές προσεγγίσεις είναι ότι η αδυναμία διαδρομής καθορίζεται από τον πιο αδύναμο κόμβο, αντί για το άθροισμα της μετρικής κατά μήκος της διαδρομής. Λόγω αυτού του τρόπου υπολογισμού η προτεινόμενη πολιτική διαδίδει τις τιμές της αδυναμίας διαδρομής σε όλο το δίκτυο πολύ αποδοτικά, με μικρό επιπλέον κόστος μηνυμάτων (για παράδειγμα δεν χρειάζεται συνεχώς κατασκευή δέντρων δρομολόγησης). Το πλήθος των μεταδιδόμενων μηνυμάτων (δηλαδή, η επιβάρυνση) διερευνάται αναλυτικά σ' αυτήν την διατριβή και επιπλέον δείχνεται αναλυτικά ότι δεν μπορούν να υπάρξουν αδιέξοδα. Αποτελέσματα προσομοιώσεων χρησιμοποιούνται για να αξιολογήσουν την προτεινόμενη πολιτική σε σχέση με άλλες οκτώ παρόμοιες πολιτικές που εμφανίζονται στην βιβλιογραφία. Αποδεικνύεται ότι όταν η επιβάρυνση λαμβάνεται υπόψη (για παράδειγμα, η ενέργεια που καταναλώνεται όταν μεταδίδεται ένα μήνυμα, παρόμοια με την μετάδοση των πακέτων δεδομένων), τότε η προτεινόμενη πολιτική αποδίδει καλύτερα από τις άλλες πολιτικές, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες σχετικά με το μέγεθος των μηνυμάτων συγκριτικά με το μέγεθος των πακέτων δεδομένων.