Βελτιστοποίηση κατανεμημένης συλλογής δεδομένων και αντιμετώπιση παρεμβολών σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Abstract

Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει δύο πολύ σημαντικά προβλήματα των Ασυρμάτων Δικτύων Αισθητήρων (ΑΔΑ): α) την εξοικονόμηση ενέργειας των κόμβων κατά τη φάση συλλογής δεδομένων έτσι ώστε να αυξηθεί ο μέσος όρος ζωής τους και β) τη διασφάλιση της απρόσκοπτης επικοινωνίας τόσο μεταξύ τους όσο και με τo βασικό σταθμό δεδομένων (sink ή Processing Element, PE) σε περιπτώσεις που υποστούν επιθέσεις ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (jamming) ή έντονων ραδιοεπιδράσεων. Για την επίλυση του πρώτου προβλήματος έγινε χρήση μιας τεχνολογίας ενδιάμεσου λογισμικού (middleware), των κινητών διαμεσολαβητών (mobile agents) και σχεδιάστηκαν τρεις ευριστικοί (heuristics) αλγόριθμοι οι οποίοι προτείνουν τον κατάλληλο αριθμό Κινητών Διαμεσολαβητών (ΚΔ) καθώς και τα δρομολόγια αυτών. Οι ΚΔ είναι διεργασίες λογισμικού οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να δρουν αυτόνομα για την ολοκλήρωση μιας διαδικασίας που τους έχει ανατεθεί από το χρήστη. Κύρια αποστολή των ΚΔ αποτελεί η συλλογή δεδομένων από τους κόμβους και η ταυτόχρονη εκτέλεση εργασιών σύντηξης δεδομένων. Οι αλγόριθμοι που προτείνουμε κατασκευάζουν τις σχεδόν-βέλτιστες και οικονομικότερες, από πλευρά ενεργειακής κατανάλωσης, διαδρομές για τους παραπάνω ΚΔ. Πειραματικές προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε, αποδεικνύουν την αποδοτικότητα των προτάσεων μας και το όφελος απόδοσης έναντι εναλλακτικών προσεγγίσεων. Όσον αφορά την αντιμετώπιση ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε περιβάλλοντα ΑΔΑ προτείναμε δύο λύσεις. Η πρώτη στηρίζεται αποκλειστικά σε λογισμικό και είναι συμβατή με κάθε ΑΔΑ, ανεξαρτήτως του τύπου των κόμβων που αυτό χρησιμοποιεί. Η προσέγγισή μας χρησιμοποιεί την τεχνολογία των ΚΔ και εκτός από την εύρεση των οικονομικότερων δρομολογίων για αυτούς, σε περιπτώσεις παρεμβολών ανανεώνει άμεσα τα προτεινόμενα δρομολόγια έτσι ώστε να αποφύγει τις επηρεαζόμενες (με υψηλά επίπεδα παρεμβολών) περιοχές του ΑΔΑ. Το σημαντικό πλεονέκτημα των ΚΔ, που εκμεταλλεύεται η προσέγγισή μας, είναι ότι ένας ΚΔ δεν χάνει τα δεδομένα που κουβαλάει όταν ο κόμβος στον οποίο βρίσκεται δέχεται παρεμβολή και συνεπώς δεν έχει επικοινωνία με τους άλλους κόμβους. Όταν η επικοινωνία αποκατασταθεί (λήξη ή παύση της παρεμβολής) τότε ο ΚΔ συνεχίζει κανονικά τη διαδρομή του και τελικώς παραδίδει τα δεδομένα του στο βασικό σταθμό δεδομένων. Κύριο μειονέκτημα της συγκεκριμένη προσέγγισης αποτελεί το ότι σε περίπτωση που οι παρεμβολές επηρεάσουν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΔΑ, δεν θα μπορέσει να εγγυηθεί την κανονική λειτουργία του ΑΔΑ (σε τέτοιες περιπτώσεις καμιά λύση λογισμικού δεν μπορεί να ανταπεξέρθει). Η δεύτερη λύση που προτείναμε είναι οι σχεδιαστικές απαιτήσεις ενός πρότυπου κόμβου, ο οποίος ενσωματώνει τα πιο αποτελεσματικά αντίμετρα κατά των παρεμβολών και ένα καινούριο επικοινωνιακό πρωτόκολλο που χρησιμοποιεί τη μπάντα των 5 GHz. Αυτή η λύση εγγυάται την κανονική και απρόσκοπτη λειτουργία του ΑΔΑ ακόμη και σε περιβάλλοντα ισχυρών παρεμβολών, που επηρεάζουν το μεγαλύτερο κομμάτι του ή ακόμη και ολόκληρο το ΑΔΑ. Τα κύρια μειονεκτήματα της λύσης αυτής είναι: α) το υψηλό κόστος υλοποίησης των κόμβων και β) η έλλειψη συμβατότητας με τα σημερινά ΑΔΑ. Πειραματικές προσομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε απέδειξαν την αποτελεσματικότητα των προσεγγίσεων μας απέναντι σε επιθέσεις παρεμβολών.