Γεώργιος Τσουμάνης

Τίτλος εκπονούμενης διατριβής:

Βελτιστοποίηση Κατανάλωσης Ενέργειας σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

Τριμελής συμβουλευτική επιτροπή:

Κωνσταντίνος Οικονόμου (επιβλέπων)

Δημήτριος Τσουμάκος

Ιωάννης Σταυρακάκης

Περίληψη:

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή κύριο αντικείμενο έρευνας είναι η βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Στους συγκεκριμένους τύπους δικτύων το αντικείμενο έρευνας αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, λόγω της μη ύπαρξης επαρκούς και συνεχόμενης παροχής ενέργειας στις συσκευές που το απαρτίζουν. Οι συσκευές αυτές, τοποθετημένες συνήθως σε σημεία όπου δεν υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης σε κάποια πηγή ενέργειας (π.χ., πρίζα) στηρίζουν τη λειτουργία τους μόνο στην παροχή ενέργειας από μικρές (σε μέγεθος και δυνατότητες τροφοδοσίας ενέργειας) μπαταρίες. Παράλληλα, ο πιο συνηθισμένος τρόπος λειτουργίας των ασύρματων δικτύων αισθητήρων είναι να απαρτίζονται από συσκευές οι οποίες αφού λάβουν κάποια μέτρηση (π.χ., θερμοκρασίας) από το περιβάλλον που έχουν τοποθετηθεί, να την προωθούν με τη μορφή πακέτου δεδομένων σε μία κεντρική συσκευή του δικτύου χρησιμοποιώντας τεχνικές πολυ-αλματικής δρομολόγησης. Η κεντρική αυτή συσκευή με τη σειρά της προωθεί τα πακέτα δεδομένων – μετρήσεις σε ένα κεντρικό υπολογιστικό σύστημα. Αυτή η διαδικασία έχει σαν αποτέλεσμα, οι συσκευές που βρίσκονται σε κοντινή τοποθεσία με την κεντρική, να ‘εξυπηρετούν’ κόμβους που βρίσκονται σε πιο μακρινή τοποθεσία. Λειτουργώντας με αυτόν τον τρόπο, οι κοντινές συσκευές, επιπλέον των δικών τους πακέτων δεδομένων, επωμίζονται το βάρος της προώθησης στην κεντρική συσκευή των πακέτων δεδομένων των πιομακρινών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να επιβαρύνουν τις μπαταρίες τους, μιας και καταναλώνουν ενέργεια όχι μόνο για την αποστολή των δικών τους πακέτων, αλλά και την προώθηση των πακέτων που δημιουργούνται από τους πιο μακρινούς.

Το παραπάνω πρόβλημα είναι γνωστό στη βιβλιογραφία ως το πρόβλημα της ενεργειακής τρύπας (energy hole problem) και είναι αυτό που αντιμετωπίζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Αυτό επιδιώκεται με δύο προσεγγίσεις: (i) την εύρεση της βέλτιστης - σε σχέση με την κατανάλωση ενέργειας - τοποθέτησης της συσκευής του δικτύου, που θα παίξει το ρόλο της κεντρικής συσκευής που θα συλλέγει όλες τις μετρήσεις, και (ii) την ενσωμάτωση πολιτικών επαναφόρτισης των μπαταριών συσκευών με ενέργεια, στηριζόμενες σε φορητές συσκευές φόρτισης (mobile rechargers).

Οι δύο προσεγγίσεις που αναφέρθηκαν μελετώνται από τη σκοπιά των προβλημάτων τοποθέτησης υπηρεσίας (facility location problems). Πιο συγκεκριμένα, αποδεικνύεται πως εάν το πρόβλημα της βέλτιστης τοποθέτησης κεντρικής συσκευής (sink location problem) αντιμετωπιστεί σαν ένα πρόβλημα τοποθέτησης υπηρεσίας, τότε η συνολική μέση κατανάλωση του δικτύου μειώνεται, αυξάνοντας έτσι τη ‘διάρκεια ζωής’ του (θεωρώντας πως ένα δίκτυο σταματάει τη λειτουργία του όταν μία συσκευή του αποφορτίσει πλήρως τη μπαταρία του). Η παραπάνω λογική χρησιμοποιείται για περιπτώσεις στις οποίες μία ή και περισσότερες συσκευές του δικτύου καλούνται να το εξυπηρετήσουν σαν κεντρικές συσκευές. Επιπλέον, αναπτύσσονται πολιτικές επαναφόρτισης των μπαταριών των συσκευών μέσω της χρήσης φορητών συσκευών φόρτισης. Αποδεικνύεται πως αυτές οι πολιτικές, αλλά και άλλες - υπάρχουσες πολιτικές της βιβλιογραφίας - αποδίδουν καλύτερα όταν το σημείο εκκίνησης των φορητών συσκευών φόρτισης τοποθετείται στην τοποθεσία της κεντρικής συσκευής του δικτύου η οποία έχει επιλεγεί με βάση αλγορίθμους τοποθέτησης υπηρεσίας (σύμφωνα με τη λογική της πρώτης προσέγγισης). Πιο συγκεκριμένα, μειώνεται η απόσταση που χρειάζεται να διανύσουν οι φορητές συσκευές φόρτισης, βελτιστοποιώντας ταυτόχρονα τις δικές τους ανάγκες σε ενέργεια και επαναφορτίζουν ταχύτερα τις συσκευές του δικτύου, διατηρώντας έτσι για μεγαλύτερο διάστημα το δίκτυο ‘ζωντανό’.