Μελέτη προσαρμοστικών τεχνικών μετάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Abstract

Διανύοντας τις αρχές του 21ου αιώνα, η ανάπτυξη των τεχνολογιών παρουσιάζει συνεχώς αυξανόμενους ρυθμούς. Ιδιαίτερη έμφαση δε, δίνεται στις τεχνολογίες που σχετίζονται άμεσα με την ανταλλαγή πληροφορίας, είτε αυτή γίνεται ενσύρματα, είτε πραγματοποιείται μέσω ασύρματης επικοινωνίας. Τα ασύρματα δίκτυα βρίσκονται τα τελευταία χρόνια στο επίκεντρο της έρευνας από την πλειονότητα των ερευνητών της υφηλίου. Βασικός λόγος αυτής της εξέλιξης, είναι η πλειάδα των εφαρμογών στις οποίες τα δίκτυα αυτά δύναται να φανούν χρήσιμα. Μια ιδιαίτερη κατηγορία τέτοιων δικτύων, η οποία εξυπηρετεί ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών και ταυτόχρονα αντιπροσωπεύει μια πληθώρα ερευνητικών προκλήσεων, είναι αυτή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (ΑΔA) είναι δίκτυα αποτελούμενα από μικρούς κόμβους – αισθητήρες, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να επικοινωνούν μεταξύ τους ασύρματα, να λαμβάνουν από το περιβάλλον διάφορα είδη δεδομένων και να τα μεταδίδουν στο υπόλοιπο δίκτυο. Το είδος των μεταδιδόμενων πληροφοριών εξαρτάται από το είδος του αισθητήρα που είναι ενσωματωμένος στον κόμβο – πομποδέκτη. Η πληθώρα των επιλογών στον συγκεκριμένο τομέα, έχει ως αποτέλεσμα τα εν λόγω δίκτυα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση κίνησης, για μέτρηση υγρασίας ή θερμοκρασίας, για παρακολούθηση της κατάστασης της υγείας ασθενών, για παρακολούθηση εκτάσεων ή κτιρίων και για πολλές άλλες εφαρμογές. Σε ένα ΑΔΑ, οι κόμβοι μπορούν να μετακινούνται ή να μένουν ακίνητοι. Είναι επιπλέον πιθανό να καλούνται να λειτουργήσουν σε επικίνδυνα ή απρόσιτα περιβάλλοντα. Ένα ακόμα βασικό χαρακτηριστικό τους είναι ότι στις περισσότερες των περιπτώσεων αντλούν ενέργεια από μπαταρίες ενσωματωμένες στους πομποδέκτες, οι οποίες κατά κανόνα είναι αδύνατο να αντικατασταθούν. Όταν λοιπόν η μπαταρία ενός κόμβου εξαντληθεί, τότε ο κόμβος τίθεται αυτόματα εκτός δικτύου. Κατά συνέπεια, ο σχεδιασμός των δικτύων αυτών πραγματοποιείται με βασικό γνώμονα την εξοικονόμηση ενέργειας με σκοπό την αύξηση της αυτονομίας τους και της βιωσιμότητάς τους. Ο σχεδιασμός ενός δικτύου ξεκινά από την μελέτη των λειτουργιών του Φυσικού Στρώματος, συνεχίζει με τις εργασίες του Στρώματος Διασύνδεσης Δεδομένων, τους αλγορίθμους δρομολόγησης και προώθησης των δεδομένων μέσα στο δίκτυο, ενώ φτάνει μέχρι τα ανώτερα στρώματα των εφαρμογών. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, και έχοντας υπόψη τα παραπάνω, πραγματοποιήθηκε μελέτη τεχνικών μετάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Οι προτεινόμενες τεχνικές αφορούν στο Φυσικό Στρώμα και στο Στρώμα Διασύνδεσης Δεδομένων, με κάποιες αναφορές στο Στρώμα Δικτύου. Εστιάζουν κατά κύριο λόγο στην βελτίωση της απόδοσης όσον αφορά την καταναλισκόμενη ενέργεια, ενώ δίνεται έμφαση και στην ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών.

In the beginning of the 21st century, the technologies develop with a continuously growing rate. Of special interest, are the technologies that deal with data transmission, either in a wired or in a wireless network. During the last years wireless networks have reached the centre of research activity among the global research community. The main reason for that is the majority of applications where a wireless network may operate. A special wireless network category, which has recently arisen and represents many research challenges, is that of Wireless Sensor Networks (WSNs). Wireless Sensor Networks consist of small sensor nodes, which are able to communicate with each other, to sense diverse data from the environment and to retransmit it to the rest of the network. The sensed data depends on the sensor embedded in the nodes, and the variety of available sensors enables these networks to measure humidity, temperature, to identify movement, to watch patients’ health status, for surveillance purposes and many other applications. In a WSN, the nodes may preserve moving abilities or be static. It is also possible that they have to operate in dangerous or hostile environments. In most cases, their operation is based on small batteries, which is difficult to replace. Hence, when a node remains out of battery, it usually goes out of the network. Therefore, the design of such networks is mainly based on reducing energy consumption, in order to increase their lifetime. In general, a network’s design basis is the study of the physical layer operation. After that, the data link layer must be designed, followed by the routing algorithms and the higher layers’ functionalities (e.g. application layer). Within the framework of the disertation, a study has been completed regarding data transmission techniques in wireless sensor networks. The proposed algorithms mainly focus on the operation of the physical and the data link layer, with some references to the network layer. They mainly focus on the improved performance in terms of energy efficiency, but quality of services is also considered. In order for this study to be completed, firstly some essential models have been created, which mainly have to do with the network topology, the channel status, the energy consumption estimation and the simulation. Therefore, exact models have been examined, and used throughout the study for the design and performance estimation of the presented data transmission techniques. The proposed techniques focus on adaptivity. Adaptive data transmission in a WSN may enable us to exploit the characteristics of each application as well as the channel characteristics, resulting in improved performance. More specifically, adaptive modulation schemes have been studied, and they have been proven to be able to offer remarkable gains in terms of energy efficiency. Moreover, adaptive transmission power algorithms have been examined.