Energy consumption optimization in wireless sensor networks
Authors: Τσουμάνης Γεώργιος 
Published: August 2021

Η παράταση της διάρκειας ζωής ενός δικτύου ασύρματων αισθητήρων σχετίζεται στενά με την κατανάλωση ενέργειας και ειδικότερα με το πρόβλημα της ενεργειακής τρύπας (energy hole problem), όπου οι κόμβοι που βρίσκονται κοντά στον κόμβο-συλλέκτη (sink node) καταναλώνουν σημαντικό μέρος της ενέργειας τους για λόγους αναμετάδοσης. Για την αντιμετώπιση των επιπτώσεων του προβλήματος της ενεργειακής τρύπας, αυτή η διατριβή προτείνει δύο προσεγγίσεις που αντιμετωπίζουν το πρόβλημα από δύο οπτικές γωνίες: (i) την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας προσεγγίζοντας το πρόβλημα της τοποθέτησης του συλλέκτη (sink placement problem) ως πρόβλημα τοποθέτησης υπηρεσίας (facility location problem) και (ii) την παράταση της διάρκειας ζωής του δικτύου επαναφορτίζοντας τους κόμβους του.Στην πρώτη προσέγγιση προτείνεται ένα αναλυτικό μοντέλο για την ανάλυση της διαθέσιμης ενέργειας στο δίκτυο. Το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας ως πρόβλημα τοποθέτησης υπηρεσίας και πιο συγκεκριμένα ως πρόβλημα k-διάμεσων (k-median problem), η λύση του οποίου αντιστοιχεί στη θέση των k συλλεκτών στο δίκτυο. Όπως παρουσιάζεται αναλυτικά, όταν οι k συλλέκτες τοποθετούνται σύμφωνα με τη λύση του προηγούμενου προβλήματος τοποθέτησης υπηρεσίας, τότε ελαχιστοποιείται η συνολική κατανάλωση ενέργειας, με αποτέλεσμα ένα ενεργειακά αποδοτικότερο σύστημα. Η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω, π.χ., για να επεκταθεί η διάρκεια ζωής του δικτύου και να υποστηριχθούν σύγχρονες τεχνικές ανανέωσης ενέργειας όπως οι εκ-μετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και η επαναφόρτιση των μπαταριών των κόμβων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επικυρώνουν το αναλυτικό μοντέλο που αποτελεί τη βάση της ανάλυσης και επιβεβαιώνουν τα αποτελέσματα σε σχέση με τη διαθέσιμη ενέργεια στο δίκτυο. Συγκεκριμένα, παρατηρείται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας κατά την εφαρμογή των αναλυτικών αποτελεσμάτων, με αποτέλεσμα την καλύτερη αξιοποίηση της ενέργειας και την επακόλουθη αύξηση της διάρκειας ζωής του δικτύου.Η δεύτερη προσέγγιση εστιάζεται σε δύο προτεινόμενες πολιτικές επαναφόρτισης. Η πρώτη είναι μια απλή πολιτική επαναφόρτισης που επιτρέπει σε ένα φορητό φορτιστή (mobile recharger), αρχικά τοποθετημένο στην ίδια θέση με τον κόμβοσυλλέκτη, να κινείται και να αναπληρώνει την εξαντλημένη μπαταρία ενός κόμβου όταν παραβιάζεται ένα συγκεκριμένο όριο επαναφόρτισης. Η πολιτική αυτή, όπως και δεύτερη πολιτική επαναφόρτισης που μελετάται λειτουργούν κατόπιν αιτημάτων (on-demand) και βασίζουν τη λειτουργία τους σε τοπική πληροφόρηση επιτρέποντας στο φορητό φορτιστή να μετακινηθεί – κατόπιν αιτήματος – σε έναν κόμβο με μειωμένο επίπεδο ενέργειας και να ανανεώσει την μπαταρία του. Κατά τη δεύτερη πολιτική και μετά την ολοκλήρωση της τελευταίας διαδικασίας, ο φορητός φορτιστής συνεχίζει να λειτουργεί με πολυαλματική λογική στους γειτονικούς κόμβους με το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας, ανανεώνοντας έτσι και τις μπαταρίες αυτών. Όπως δείχνεται, η ελαχιστοποίηση της απόστασης επαναφόρτισης που καλύπτεται από τον φορητό φορτιστή είναι ένα πρόβλημα τοποθέτησης υπηρεσίας και συγκεκριμένα ένα πρόβλημα 1-διάμεσου. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης, σχετικά με την πρώτη προτεινόμενη πολιτική, διερευνούν διάφορες πτυχές της πολιτικής επαναφόρτισης - συμπεριλαμβανομένης μιας βελτιωμένης έκδοσής της - που σχετίζονται με το όριο επαναφόρτισης και το επίπεδο ενέργειας που απομένει στις μπαταρίες των κόμβων του δικτύου. Επιπλέον, δείχνεται πως όταν η θέση του συλλέκτη έχει επιλεγεί βάση της λύσης του συγκεκριμένου προ-βλήματος τοποθέτησης υπηρεσίας, τότε η απόσταση επαναφόρτισης ελαχιστοποιείται ανεξάρτητα από το όριο επαναφόρτισης. Όσον αφορά τα αποτελέσματα προσομοίωσης της δεύτερης προτεινόμενης πολιτικής, η αποτελεσματικότητά της διερευνάται χρησιμοποιώντας αποτελέσματα προσομοίωσης και συγκρίνεται με μια υπάρχουσα γνωστή πολιτική ανανέωσης που λειτουργεί κατόπιν αιτημάτων που εκμεταλλεύεται την γνώση όλου του δικτύου (δηλαδή γνώση τόσο του ενεργειακού επιπέδου όλων των κόμβων όσο και της τοπολογίας του δικτύου). Αποδεικνύεται ότι η προτεινόμενη πολιτική, αν και βασίζεται σε τοπική πληροφόρηση, διατηρεί το μέσο ενεργειακό επίπεδο και τον χρόνο τερματισμού υψηλότερο από εκείνο της υφιστάμενης πολιτικής που εκμεταλλεύεται την γνώση όλου του δικτύου. Επιπλέον, παρατηρείται ότι η διάρκεια ζωής του δικτύου μεγιστοποιείται όταν η βάση του φορητού φορτιστή βρίσκεται στη λύση του αναφερόμενου προβλήματος 1-διάμεσου για όλες τις πολιτικές που μελετούνται. Οι προσεγγίσεις που μελετούνται σε αυτή τη διατριβή καθιστούν μια συσχέτιση μεταξύ των προβλημάτων τοποθέτησης υπηρεσίας (ιδιαίτερα του προβλήματος k-διάμεσων) με την κατανάλωση ενέργειας και την αναπλήρωση της μπαταρίας. Πρόκειται για μια σημαντική συμβολή που αναμένεται να προκαλέσει μελλοντικές έρευνες στην περιοχή και να αποκαλύψει περαιτέρω πτυχές των ζητημάτων κατανάλωσης ενέργειας και του τρόπου με τον οποίο η διάρκεια ζωής μπορεί να παραταθεί στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων.