Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Γούτσου Κωνσταντίνου του Χαραλάμπους Αριθμός Μητρώου: 6734 Θέμα «Υλοποίηση τεχνικών για την αποφυγή συμφόρησης σε τοπικά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων» Επιβλέπων Κουμπιάς Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Σεπτέμβριος 2014

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Υλοποίηση τεχνικών για την αποφυγή συμφόρησης σε τοπικά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Γούτσου Κωνσταντίνου του Χαραλάμπους Αριθμός Μητρώου: 6734 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 11/09/2014 Ο Επιβλέπων Κουμπιάς Σταύρος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Ευθύμιος Χούσος Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Υλοποίηση τεχνικών για την αποφυγή συμφόρησης σε τοπικά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων» Φοιτητής: Γούτσος Κωνσταντίνος Επιβλέπων: Κουμπιάς Σταύρος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία συνίσταται στην μελέτη, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση τεχνικών και μεθόδων αποφυγής συμφόρησης στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Στα πλαίσια της εργασίας σχεδιάστηκε μια μέθοδος αποφυγής συμφόρησης η οποία δύναται να διαχειριστεί με επιτυχία κίνηση πακέτων δεδομένων διαφορετικών προτεραιοτήτων και η οποία ονομάστηκε Priority Based Congestion Avoidance Technique (PB-CAT). Η PB-CAT χρησιμοποιεί έναν εξελιγμένο μηχανισμό καθυστέρησης και συγχώνευσης πακέτων ώστε να μειώνεται ο συνολικός αριθμός μεταδόσεων και να αυξάνεται η εκμετάλλευση του μέσου επικοινωνίας με αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης του δικτυακού συστήματος. Με σκοπό την πειραματική αξιολόγησή της, η μέθοδος υλοποιήθηκε στο λειτουργικό σύστημα Contiki και έγιναν εκτεταμένες προσομοιώσεις της λειτουργίας της στον Cooja simulator. Τα αποτελέσματα των εν λόγω προσομοιώσεων απέδειξαν ότι η τεχνική που προτείνεται παρουσιάζει ευεργετική επίδραση στην απόδοση των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων και ιδιαίτερα σε αυτά στα οποία υπάρχει υψηλή κίνηση δεδομένων.

6

7 Ευχαριστίες Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Σταύρο Κουμπιά για την βοήθειά του σε όλες τις πτυχές της ακαδημαϊκής μου πορείας αλλά και για την εξαιρετικά ενδιαφέρουσα διπλωματική εργασία που μου ανέθεσε δίνοντάς μου την ευκαιρία να εξερευνήσω ένα νέο επιστημονικό πεδίο. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Σοφία Δήμα για την υποστήριξη και την υπομονή της στα αρχικά στάδια της πρακτικής υλοποίησης της μελέτης. Επιπλέον, δεν θα μπορούσα να παραλείψω να ευχαριστήσω την σύντροφο και φίλη μου Ελισάβετ Κυριακού για την αμέριστη συμπαράσταση της σε όλα τα φοιτητικά μου χρόνια καθώς και στην εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Τέλος, κανένα βήμα των σπουδών μου δεν θα ήταν δυνατό χωρίς την υλική και ηθική υποστήριξη της οικογένειας μου που μου παρείχε την ώθηση για την επίτευξη του καλύτερου δυνατού αποτελέσματος σε κάθε τομέα.

8

9 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Ορισμός του Wireless Sensor Network Λειτουργία και σχεδιασμός των WSN Χαρακτηριστικά Απαιτήσεις και στόχοι σχεδιασμού WSN Εφαρμογές WSN Βιομηχανικές εφαρμογές Περιβαλλοντικές εφαρμογές Εφαρμογές υγείας Εφαρμογές παρακολούθησης και ελέγχου Εφαρμογές ασφαλείας Βασικές αρχές δικτυακών συστημάτων Τοπολογία Το μοντέλο αναφοράς OSI Δρομολόγηση 19 2 Βελτίωση της ποιότητας των WSN Ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service QoS) Μέγιστος ρυθμός επικοινωνίας (throughput) Ποσοστό χαμένων πακέτων Καθυστέρηση πακέτων (latency ή end to end delay) Κατανάλωση ενέργειας Ρυθμός και ανίχνευση λαθών Βελτίωση του QoS με μείωση της κυκλοφορίας δεδομένων Διαστήματα αδράνειας Πλεονασμός δεδομένων Βελτίωση του QoS με μείωση του φόρτου Κατανάλωση ενέργειας Ποσοστό χαμένων πακέτων Καθυστέρηση πακέτου Εκμετάλλευση του καναλιού Τεχνικές και μέθοδοι για τη μείωση φόρτου του δικτύου Συγκέντρωση πακέτων Απόρριψη πακέτων Επεξεργασία πακέτων Κατηγοριοποίηση μεθόδων διαχείρισης κίνησης Με βάση τη συνάρτηση συγκέντρωσης Με βάση την τοπολογία Χαρακτηριστικές τεχνικές και πρωτόκολλα συγκέντρωσης 35

10 2.6.1 TAG & Directed Diffusion DB MAC LEACH & Cougar Synopsis Diffusion Tributaries and Deltas 42 3 Χαρακτηριστικά εφαρμογής Περιγραφή σεναρίου Αρχές λειτουργίας Τεχνολογία υλοποίησης Διάταξη προσομοίωσης Οργάνωση του δικτύου Μεταβλητές Σταθερές Μετρούμενα μεγέθη και μέθοδοι μέτρησης Αποτελέσματα προσομοίωσης Η επιρροή του φόρτου δικτύου (traffic factor) Η επιρροή του χρόνου σύμπτυξης (merge time) Η επιρροή του μήκους δεδομένων (maximum data length) Απόδοση σε διαφορετικές κατανομές παραγόμενων πακέτων Συμπεράσματα Αξιολόγηση 68 4 Συμπεράσματα Τελικά συμπεράσματα Μελλοντική ανάπτυξη της τεχνικής 71 Βιβλιογραφία 74 Παράρτημα Α: Δομές και τεχνολογίες υλοποίησης 79 Το λειτουργικό σύστημα Contiki 79 Ο δικτυακός προσομοιωτής Cooja 81 Η πλατφόρμα των Tmote Sky 82 Το πρωτόκολλο CMSA 84 Παράρτημα Β: Πηγαίος κώδικας 86

11 1 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 1.1 Ορισμός του Wireless Sensor Network Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks WSN) είναι ασύρματα δίκτυα αποτελούμενα από συσκευές κατανεμημένες στο χώρο. Οι συσκευές αυτές καλούνται κόμβοι του δικτύου (sensor nodes ή motes) και είναι εξοπλισμένες με αισθητήρες, μέσω των οποίων παρακολουθούν το φυσικό τους περιβάλλον και παρέχουν πληροφορίες για αυτό. Τα μεγέθη που παρακολουθούν οι αισθητήρες μπορούν να είναι απλά όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η ηλεκτρική τάση κ.λπ. ή πιο σύνθετα όπως η τρέχουσα θέση της συσκευής, η περιεκτικότητα του περιβάλλοντος αέρα σε σωματίδια κ.ά. [1] 1.2 Λειτουργία και σχεδιασμός των WSN Χαρακτηριστικά Η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής και της μικρομηχανικής (MEMS) κατέστησε δυνατή την κατασκευή κόμβων (motes) με μικρό μέγεθος αλλά και χαμηλό κόστος. Τα σύγχρονα WSN αποτελούνται τυπικά από εκατοντάδες κόμβους με τα παρακάτω βασικά χαρακτηριστικά [1]: Οι κόμβοι είναι μικροί σε μέγεθος, αυτόνομοι και με μικρή επεξεργαστική ισχύ και μνήμη. Τυπικά μέρη ενός κόμβου εκτός από τα κυκλώματα των αισθητήρων είναι ένας πομποδέκτης, ένας μικρο ελεγκτής και μια πηγή ενέργειας. Σε πολλές περιπτώσεις η θέση των κόμβων αλλάζει δυναμικά, ενώ υπάρχουν και εφαρμογές με ακίνητους αισθητήρες. Μεταξύ των κόμβων σχηματίζεται αυτόνομο ασύρματο δίκτυο, το οποίο στις περισσότερες περιπτώσεις αλλάζει πολύ συχνά τοπολογία λόγω κίνησης των motes ή α στοχίας κάποιων από αυτούς. Οι κόμβοι είναι πυκνά τοποθετημένοι στο χώρο και μεταδίδουν με broadcast (ένας προς όλους), αντίθετα με τα τυπικά ad hoc δίκτυα που κάνουν χρήση επικοινωνίας point to point. Λόγω του ότι είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν με ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση περιλαμβάνουν όσο το δυνατόν ισχυρότερη πηγή ενέργειας. Επιπλέον, το δίκτυο που δημιουργούν θα πρέπει να είναι στιβαρό και ανεκτικό σε μεταβολές των συνθηκών, είτε αυτές οφείλονται στο εξωτερικό περιβάλλον είτε σε αστοχία μέρους του δικτύου. Κύριος στόχος των κόμβων είναι η συλλογή δεδομένων και η πρωταρχική επεξεργασία τους πριν σταλούν σε κάποιο σταθμό βάσης. Η επεξεργασία αυτή έχει σκοπό να μειώσει την ποσότητα των δεδομένων που ταξιδεύουν στο δίκτυο αποστέλλοντας

12 2 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελέσματα και όχι τις ακατέργαστες μετρήσεις. Ο σταθμός βάσης που παραλαμβάνει τα δεδομένα μπορεί είτε να είναι ένας από τους κόμβους είτε να ανήκει σε ένα ευρύτερο βιομηχανικό τοπικό ή μη δίκτυο (π.χ. διαδίκτυο). Δεδομένου του μεγάλου αριθμού κόμβων ενός τυπικού WSN, οι σχεδιαστές του συστήματος προσπαθούν να κρατήσουν το κόστος του υλικού χαμηλό. Κατά συνέπεια, οι κόμβοι έχουν περιορισμένες δυνατότητες επεξεργασίας, αποθήκευσης, αλλά και επικοινωνίας. Επιπλέον, η αξιοπιστία του υλικού μειώνεται. Συνεπώς, οι σχεδιαστές των αλγορίθμων και των εφαρμογών των WSN στοχεύουν σε κώδικα που κάνει βέλτιστη χρήση των περιορισμένων πόρων και προβλέπει και αντιμετωπίζει πιθανές α στοχίες μέρους του δικτύου Απαιτήσεις και στόχοι σχεδιασμού WSN Σχεδιαστικές απαιτήσεις Με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των ασύρματων δικτύων αισθητήρων που παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη παράγραφο και σε συνδυασμό με τις απαιτήσεις των τυπικών εφαρμογών στις οποίες χρησιμοποιούνται, έχουν προκύψει ορισμένες βασικές α παιτήσεις που πρέπει να ικανοποιηθούν κατά τον σχεδιασμό των συστημάτων αυτών. Οι απαιτήσεις αυτές, αν και αποτελούν αντικείμενο ευρείας μελέτης, δεν είναι ντετερμινιστικά καθορισμένες, αλλά συνιστούν κυρίως έναν οδηγό για τον σχεδιασμό νέων συστημάτων και περιλαμβάνουν μέτρα που διευκολύνουν τη σύγκριση μεταξύ διαφορετικών υλοποιήσεων. Χαμηλό κόστος παραγωγής: Τα τυπικά δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται συνήθως από εκατοντάδες έως και χιλιάδες κόμβους, οι οποίοι πολλές φορές τοποθετούνται σε δύσβατες και επικίνδυνες περιοχές με συνέπεια να μην είναι δυνατή η επανάκτησή τους. Προκύπτει συνεπώς η απαίτηση το κόστος κάθε κόμβου να είναι χαμηλό. Με δεδομένο ότι οι σύγχρονοι κόμβοι έχουν φτάσει να κοστίζουν μέχρι και λιγότερο από ένα δολάριο ΗΠΑ [2], ο σχεδιασμός του συστήματος θα πρέπει να είναι πολύ προσεκτικός ώστε η τελική υλοποίηση να είναι οικονομικά βιώσιμη. Περιορισμοί υλικού: Ένας κόμβος απαρτίζεται από τέσσερα βασικά τμήματα: έναν πομποδέκτη, μια πηγή ενέργειας, μια μονάδα επεξεργασίας και την μονάδα δειγματοληψίας, η οποία περιλαμβάνει τα κυκλώματα των αισθητήρων που σχετίζονται με την εκάστοτε εφαρμογή. Στην πλειονότητά τους οι αισθητήρες παράγουν αναλογικά σήματα. Συνεπώς, στις μονάδες δειγματοληψίας θα πρέπει να συμπεριληφθούν και μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό σήματος (ADC), που λαμβάνουν την πληροφορία από τους αισθητήρες και τη μετατρέπουν σε ψηφιακή μορφή την οποία μπορεί να δεχθεί η μονάδα

13 3 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων επεξεργασίας. Η μονάδα επεξεργασίας έχει τον ρόλο του συντονισμού όλων των μονάδων, καθώς και της εκτέλεσης του λογισμικού που υλοποιεί τα διάφορα δικτυακά επίπεδα. Όπως γίνεται εύκολα κατανοητό, ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή στο υλικό του κόμβου μπορούν να προστεθούν και επιπρόσθετες μονάδες όπως γεννήτρια ενέργειας, σύστημα εντοπισμού θέσης κ.ά. Όλα τα παραπάνω στοιχεία πρέπει, πέρα από το χαμηλό τους κόστος, να είναι και πολύ περιορισμένα σε μέγεθος, καθώς ένας σύγχρονος κόμβος μπορεί να έχει μέγεθος ακόμα και λιγότερο από ένα κυβικό εκατοστό [3]. Ταυτόχρονα, οι κόμβοι πρέπει να είναι ενεργειακά βελτιστοποιημένοι και να καλύπτουν τις ιδιαίτερες απαιτήσεις των WSN που περιγράφονται στη συνέχεια. Εικόνα 1.1: Απλοποιημένο δομικό διάγραμμα ενός mote [4] Ανοχή σε σφάλματα: Από τη στιγμή που οι κόμβοι τοποθετούνται σε ποικιλία περιβαλλόντων και επικοινωνούν ασύρματα, η διακοπή της επικοινωνίας μεταξύ κάποιων από αυτούς είναι πολύ πιθανή. Η διακοπή αυτή μπορεί να προέλθει από φυσικά εμπόδια, έλλειψη ενέργειας, μετακίνηση εκτός λήψης ή ακόμα και καταστροφή του κόμβου. Συνεπώς, είναι σημαντικό να υπάρχει μια αξιόπιστη υποδομή ανάκτησης λειτουργίας του προβληματικού κόμβου και σε περίπτωση που αυτό δεν είναι εφικτό συνέχειας του έργου του δικτύου χωρίς περαιτέρω προβλήματα. Ανοχή σε σφάλματα καλούμε τη δυνατότητα του συστήματος να επανέλθει σε κανονική λειτουργία μετά από σφάλμα, ενώ η αξιοπιστία ενός κόμβου ορίζεται ως πιθανότητα να παρουσιάσει μια αποτυχία. Μελέτες έχουν δείξει ότι η πιθανότητα αυτή RK μπορεί να μοντελοποιηθεί με μια απλή κατανομή Poisson ως εξής (σε ένα σύστημα με περίοδο t) [5]: όπου Κ ο δείκτης του κόμβου και λκ ο ρυθμός αποτυχίας του. Μειωμένη κατανάλωση ενέργειας: Από τη στιγμή που ένας αισθητήρας είναι ασύρματος, πέρα από το μέσο επικοινωνίας που χρησιμοποιεί, θα πρέπει να καθορίζεται και ο τρόπος παροχής ενέργειας στα υποσυστήματά του. Τις περισσότερες φορές η πηγή ε νέργειας είναι καθορισμένη και δεν μπορεί να ανανεωθεί εύκολα. Είναι φανερό λοιπόν ότι οι κόμβοι πρέπει να κάνουν όσο το δυνατόν καλύτερη διαχείριση της ενέργειάς τους

14 4 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων με σκοπό της επιμήκυνση του χρόνου ζωής τους, βελτιώνοντας από τη μία την κατανάλωση σε επίπεδο υλικού, αλλά και κάνοντας βέλτιστη χρήση του υλικού αυτού από το λογισμικό. Το μεγαλύτερο μέρος κατανάλωσης ενέργειας σε έναν κόμβο γίνεται συνήθως στον πομποδέκτη του κατά τη διάρκεια που αυτός επικοινωνεί με κοντινούς κόμβους. Για τον λόγο αυτό, πολλοί ερευνητές έχουν επικεντρώσει τις προσπάθειές τους στην κατασκευή πρωτοκόλλων και αλγορίθμων που θα ελαχιστοποιούν τον χρόνο λειτουργίας του πομποδέκτη διατηρώντας ταυτόχρονα την απαιτούμενη ποιότητα των υπηρεσιών (Quality of Service QoS) εκάστοτε εφαρμογής. Παρά όμως τις προσπάθειες που έχουν γίνει, οι κόμβοι είναι πολύ πιθανό σε κάποια στιγμή της διάρκειας ζωής τους να βρεθούν εκτός λειτουργίας λόγω έλλειψης ενέργειας. Συνεπώς, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, είναι α παραίτητο να υπάρχει πρόβλεψη για την επανοργάνωση και τη συνέχιση λειτουργίας του δικτύου. Δυναμική τοπολογία δικτύου: Λόγω της ιδιαίτερης φύσης των εφαρμογών στις οποίες γίνεται χρήση των WSN, η τοπολογία του δικτύου αλλάζει δυναμικά, πολλές φορές σε τέτοιο βαθμό που απαιτείται νέα οργάνωση του δικτύου. Με σκοπό τον αρτιότερο σχεδιασμό ενός συστήματος που θα προβλέπει και θα αντιμετωπίζει τέτοιες αναδιοργανώσεις, διακρίνουμε τις παρακάτω φάσεις, που διαδέχονται χρονικά η μία την άλλη: Πριν και κατά τη διάρκεια της τοποθέτησης: Οι motes τοποθετούνται είτε σε προκαθορισμένες θέσεις με ανθρώπινη ή μη παρέμβαση, είτε γίνεται ρίψη τους από εναέρια ή άλλα μέσα με αποτέλεσμα την τυχαία κατανομή τους. Μετά την τοποθέτηση: Αφού τοποθετηθούν, οι sensor nodes σχηματίζουν ένα δίκτυο και αρχίζουν να επιτελούν το έργο που τους έχει ανατεθεί. Παρ όλα αυτά, η υπάρχουσα τοπολογία μπορεί ανά πάσα στιγμή να αλλάξει λόγω μετακίνησης των κόμβων, απώλειας ενέργειας, αλλαγής στο μέσο επικοινωνίας κ.ά. Μέσο μετάδοσης: Όταν μιλάμε για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι προφανές ότι δεν υπάρχει δυνατότητα χρήσης ενσύρματων μέσων δικτύωσης. Διαδεδομένα μέσα α σύρματης δικτύωσης είναι οι υπέρυθρες ακτίνες, που απαιτούν όμως οπτική επαφή μεταξύ των κόμβων, και οι ραδιοσυχνότητες (radio frequencies RF), που χρησιμοποιούνται από την πλειονότητα των σύγχρονων συσκευών ασύρματης επικοινωνίας. Στην τεχνολογία RF βασίζονται και τα ευρέως γνωστά πρότυπα ασύρματης επικοινωνίας Bluetooth (IEEE ), Wi Fi (IEEE ) και ZigBee (IEEE ). Με τη ραγδαία ανάπτυξη των εν λόγω δικτύων έχουν δημιουργηθεί και επιπλέον πρωτόκολλα που βασίζονται στα παραπάνω, αλλά μπορούν να ξεπεράσουν και συνηθισμένα προβλήματά τους όπως η υψηλή κατανάλωση ενέργειας του Bluetooth, που βελτιώθηκε σε μεγάλο βαθμό με την έκδοση Bluetooth Low Energy.

15 5 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Ποιότητα υπηρεσιών: Η απαιτούμενη ποιότητα των υπηρεσιών ενός συστήματος καθορίζεται από πολλαπλούς παράγοντες όπως το ποσοστό χαμένων πακέτων, η μέση καθυστέρηση πακέτου, η μέγιστη καθυστέρηση πακέτου κ.ά. Τα περισσότερα από αυτά τα χαρακτηριστικά διαφέρουν ριζικά από εφαρμογή σε εφαρμογή εξαρτώνται για παράδειγμα από το πόσο κρίσιμο είναι να μεταδοθεί άμεσα η πληροφορία (time critical) αλλά λόγω των ιδιαιτεροτήτων της τεχνολογίας και των εφαρμογών των WSN, στα δίκτυα αυτά η ποιότητα υπηρεσιών αποτελεί μέγιστη προτεραιότητα. Συγκεκριμένα, στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων παρατηρούνται δύο παράγοντες που επιδρούν στην παρεχόμενη ποιότητα υπηρεσιών του συστήματος. Από τη μία, το γεγονός ότι η χωρική πυκνότητα των κόμβων είναι συνήθως μεγάλη προσφέρει επιπλέον α ξιοπιστία στα αποτελέσματα των μετρήσεων λόγω της δυνατότητας συσχέτισης που προκύπτει από πολλαπλές μετρήσεις. Αντίθετα, επειδή η πλειοψηφία των κόμβων δεν επικοινωνούν απευθείας με τον κόμβο προορισμού, γίνεται χρήση επικοινωνίας multihop, η οποία, παρ όλο που αυξάνει την πιθανότητα επιτυχούς μετάδοσης, αυξάνει και κατά πολύ την end to end καθυστέρηση ενός πακέτου αφού αυτό χρειάζεται να περάσει από πολλαπλούς σταθμούς. Συνεπώς, υπάρχει αυξημένη πιθανότητα για περιορισμένο χρονικό διάστημα τα δεδομένα που διαθέτει ο σταθμός βάσης να μην είναι αντιπροσωπευτικά της τρέχουσας κατάστασης. Κλιμάκωση: Όπως αναφέρθηκε ήδη, μια τυπική εγκατάσταση αισθητήρων μπορεί να α ποτελείται από λίγες δεκάδες μέχρι και εκατομμύρια motes, που μπορεί να είχαν εγκατασταθεί αρχικά ή να προστέθηκαν κατά τη φάση λειτουργίας του δικτύου. Αυτό σημαίνει ότι τα πρωτόκολλα και οι αλγόριθμοι που σχεδιάζονται για τα WSN πρέπει να είναι προετοιμασμένα να αντιμετωπίσουν ανάλογες καταστάσεις [6]. Πέρα από την απρόσκοπτη λειτουργία σε δίκτυα με πολύ υψηλή πυκνότητα κόμβων, επιθυμητή είναι και η εκμετάλλευση της πυκνότητας αυτής για την επίτευξη των στόχων του συστήματος με καλύτερο τρόπο. Για παράδειγμα, η κατανάλωση ενέργειας κόμβων που βρίσκονται σε πολύ κοντινή απόσταση μπορεί να μειωθεί ενεργοποιώντας τους για μικρότερο χρονικό διάστημα ή παίρνοντας μετρήσεις από αυτούς με εναλλαγές. Ασφάλεια δεδομένων: Όπως θα δούμε και στην επόμενη ενότητα, οι εφαρμογές στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα δίκτυα αισθητήρων είναι πολυάριθμες. Πολλές από αυτές διαχειρίζονται ευαίσθητες πληροφορίες όπως προσωπικά δεδομένα υγείας ή στρατιωτικά δεδομένα. Προκύπτει λοιπόν η ανάγκη να διασφαλιστούν τα μηνύματα που κινούνται στο δίκτυο από μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση ή παραποίηση. Ωστόσο, οι συνήθεις πρακτικές κρυπτογράφησης είναι δύσκολο να εφαρμοστούν στα WSN, τόσο λόγω περιορισμένων υπολογιστικών και ενεργειακών πόρων όσο και λόγω της δυναμικής φύσης των δικτύων αυτών.

16 6 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Στόχοι σχεδιασμού Έχει επισημανθεί προηγουμένως ότι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων παρουσιάζουν πολλές ιδιαιτερότητες, που διαφοροποιούν τη διαδικασία σχεδιασμού τους από αυτή των υπόλοιπων δικτυακών συστημάτων. Όλα τα δικτυακά επίπεδα θα πρέπει να είναι ειδικά σχεδιασμένα για τις ιδιαίτερες απαιτήσεις των WSN. Πρόβλεψη βέλτιστης χρήσης πόρων: Ο συνδυασμός χαμηλού κόστους παραγωγής με τους περιορισμούς του υλικού στους ασύρματους αισθητήρες δημιουργεί επιτακτική α νάγκη σχεδίασης του συστήματος με στόχο τη βέλτιστη χρήση των πόρων του υλικού. Για παράδειγμα, απλοί αλγόριθμοι υπολογισμού μονοπατιών δρομολόγησης, που σε ένα τυπικό σύστημα θα χρειάζονταν μηδαμινή προσπάθεια, σε έναν αισθητήρα με περιορισμένη επεξεργαστική ισχύ και ενέργεια θα πρέπει να σχεδιαστούν από την αρχή με σκοπό την όσο το δυνατόν μικρότερη καταπόνηση του κόμβου. Ανάπτυξη αλγορίθμων αναγνώρισης και διόρθωσης σφαλμάτων: Όπως αναφέρθηκε, οι κόμβοι επικοινωνούν μέσω ενός ασύρματου, πολλές φορές θορυβώδους και ίσως χρονικά μεταβαλλόμενου, καναλιού. Αυτό σημαίνει ότι οι σχεδιαστές των WSN πρέπει να αναπτύξουν αλγορίθμους που θα εντοπίζουν αλλά και θα διορθώνουν ως ένα βαθμό τα σφάλματα μετάδοσης που τυχόν εμφανίζονται. Οι αλγόριθμοι αυτοί βασίζονται συνήθως στον πλεονασμό δεδομένων που παράγεται από τη μεγάλη χωρική πυκνότητα αισθητήρων, συσχετίζοντας τις μετρήσεις ίδιων μεγεθών σε κοντινά χρονικά διαστήματα. Ενεργειακή επίγνωση πρότυπων και εφαρμογών: Αν και η βελτιστοποίηση υλικού και λογισμικού μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, είναι γνωστό ότι το πιο ενεργοβόρο μέρος ενός mote είναι το κύκλωμα αποστολής και λήψης. Βασικός στόχος λοιπόν είναι να μειωθεί κατά το δυνατόν ο χρόνος λειτουργίας του κυκλώματος αυτού, κάτι το οποίο εφαρμόζεται συνήθως στο επίπεδο MAC του δικτύου, με πρωτόκολλα που φροντίζουν για την ομαλή μετάδοση των πακέτων θέτοντας τους κόμβους σε κατάσταση επικοινωνίας μόνο όταν χρειάζεται. Πολλές φορές η σημασία της εναλλαγής καταστάσεων των motes είναι τόσο σημαντική που για τη διαχείρισή της ορίζεται ένα νέο δικτυακό επίπεδο (τμήμα του επιπέδου Σύνδεσης στο οποίο ανήκει και το επίπεδο MAC). Προσαρμοστικότητα και αυτορρυθμιζόμενα δίκτυα: Εκτός από το ίδιο το κανάλι επικοινωνίας, η τοπολογία του δικτύου αλλάζει δυναμικά. Συνεπώς, κάθε κόμβος ενός WSN πρέπει να είναι συνεχώς ενήμερος για την κατάσταση του δικτύου και να αλλάζει τις επιλογές του ανάλογα με αυτή. Ιδιαίτερη δυσκολία παρουσιάζει η εν λόγω διαδικασία σε τοπολογίες χωρίς κεντρικό σταθμό ελέγχου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα σχεδιασμού με τέτοια πρόβλεψη είναι το εξής: Σε πολλές εφαρμογές, όλοι ο κόμβοι μεταδίδουν σε τακτά χρονικά διαστήματα ένα πακέτο α ναγνώρισης (beacon). Το πακέτο αυτό παραλαμβάνεται από τους υπόλοιπους κόμβους ώστε αυτοί να είναι ενήμεροι ότι ο κόμβος αποστολέας βρίσκεται σε φυσιολογική λει

17 7 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων τουργία. Αν παρέλθει κάποιο χρονικό διάστημα και ένας κόμβος δεν έχει αποστείλει τέτοιο πακέτο θεωρείται ότι βρίσκεται εκτός του δικτύου και οι γειτονικοί σταθμοί ανανεώνουν τα μονοπάτια δρομολόγησής τους ώστε να αποφεύγουν τον προβληματικό node (reactive routing) [7]. Ανάπτυξη συστημάτων με αυστηρές ποιοτικές προδιαγραφές: Οι πλειοψηφία των ε φαρμογών των WSN χρειάζεται λειτουργία πραγματικού και πολλές αυστηρού πραγματικού χρόνου, κάτι που προϋποθέτει ότι όλα τα επίπεδα του δικτύου θα λειτουργούν σωστά και συντονισμένα ώστε να ικανοποιήσουν το αυστηρό QoS των συστημάτων αυτών. Ο γενικότερος πλεονασμός δεδομένων που τυπικά υπάρχει στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων προσφέρει μεγαλύτερη πιθανότητα να φτάσει η σωστή πληροφορία στον προορισμό της, αλλά από την άλλη αυξάνει την καθυστέρηση των δεδομένων. Πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει την αυξημένη τοπική επεξεργασία της πληροφορίας με σκοπό τη μείωση της συνολικής κίνησης του δικτύου αλλά κάτι τέτοιο αυξάνει την καθυστέρηση, καθώς η επεξεργασία απαιτεί χρόνο, αλλά και την κατανάλωση, καθώς η χρήση της μονάδας επεξεργασίας κοστίζει σε ενέργεια. Ένα ακόμα πρόβλημα που δημιουργεί η μεγάλη ποσότητα δεδομένων είναι η δημιουργία συμφόρησης σε συγκεκριμένα σημεία του δικτύου από τα οποία (λόγω των μονοπατιών δρομολόγησης) διέρχονται πολλά πακέτα. Μια ανάλογη κατάσταση προσπαθεί να αντιμετωπίσει και η τεχνική που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία και θα αναλυθεί στις επόμενες παραγράφους. Ευέλικτες εφαρμογές και πρωτόκολλα: Με την αύξηση των κόμβων του δικτύου αυξάνεται ανάλογα και πολλές φορές εκθετικά και ο φόρτος του. Ως συνέπεια, πρέπει τα πρωτόκολλα που διαχειρίζονται την κίνηση των πακέτων και την πρόσβαση των motes στο κανάλι (δηλαδή κυρίως τα επίπεδα που βρίσκονται κάτω από το επίπεδο μεταφοράς) να είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να λειτουργούν είτε με μερικές δεκάδες είτε με πολλές χιλιάδες κόμβους. Ιδιαίτερα στα πρωτόκολλα MAC, η φόρτιση του δικτύου παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην επιλογή και την υλοποίησή τους. Δημιουργία προτύπων ασφαλείας: Με δεδομένους τους περιορισμένους πόρους των WSN θα πρέπει να αναπροσαρμοστούν τα υπάρχοντα πρότυπα ασφαλείας ώστε να λειτουργούν σωστά και αποδοτικά και στις συγκεκριμένες υλοποιήσεις. Σε πολλές εφαρμογές ο στόχος αυτός είναι υψίστης σημασίας αλλά και αυξημένης δυσκολίας, οπότε πολλές ερευνητικές ομάδες ασχολούνται με το συγκεκριμένο πεδίο των δικτύων αισθητήρων [8]. Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι είναι αδύνατον να ικανοποιηθούν ταυτόχρονα όλες οι προδιαγραφές και να υλοποιηθεί στην πράξη ένα ιδανικό δίκτυο. Όπως κάθε σχεδιαστής συστημάτων έτσι και ο μηχανικός που σχεδιάζει ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποφασίζει με βάση την εφαρμογή ποιες απαιτήσεις έχουν μεγαλύτερη σημασία

18

19 9 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 1.3 Εφαρμογές WSN Λόγω της ευκολίας εγκατάστασης και λειτουργίας αλλά και της γενικότερης στιβαρότητάς τους τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων βρίσκουν εφαρμογή σε πληθώρα περιπτώσεων και κατά συνέπεια γνωρίζουν μεγάλη άνθηση τα τελευταία χρόνια. Παρ όλο που αρχικά σχεδιάστηκαν για στρατιωτικές εφαρμογές, με την πρόοδο της τεχνολογίας και την επόμενη μείωση του κόστους τα WSN βρήκαν πρόσφορο έδαφος σε διάφορα επιστημονικά πεδία και στα επόμενα χρόνια θα μπουν όλο και περισσότερο στην καθημερινότητά μας Βιομηχανικές εφαρμογές Οι σύγχρονες βιομηχανίες βρίσκονται συνεχώς σε αναζήτηση νέων τεχνολογιών που θα βελτιώσουν τη γραμμή παραγωγής τους και θα μειώσουν το κόστος του παραγόμενου προϊόντος, αλλά και τη συχνότητα και τη δυσκολία συντήρησης του εξοπλισμού παραγωγής. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων πληρούν όλα τα παραπάνω κριτήρια, καθώς είναι εύκολο να εγκατασταθούν, αφού δεν χρειάζονται καλωδιώσεις και προσφέρουν αξιοπιστία λόγω του σχεδιασμού τους. Επιπλέον, λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους τους μπορούν να ενσωματωθούν σε διάφορα σημεία των γραμμών παραγωγής χωρίς ιδιαίτερο πρόβλημα. Ήδη έχουν δημιουργηθεί πρωτόκολλα και τοπολογίες ειδικά σχεδιασμένα για βιομηχανικές εφαρμογές όπως η παρακολούθηση των αποθεμάτων και ο έλεγχος ποιότητας των παραγόμενων προϊόντων [9] Περιβαλλοντικές εφαρμογές Με δεδομένη την πρόοδο της ηλεκτρονικής, οι σύγχρονοι κόμβοι μπορούν να φέρουν πολλούς διαφορετικούς αισθητήρες που μετρούν όλο και πιο σύνθετα μεγέθη, διατηρώντας ταυτόχρονα και το μικρό τους μέγεθος. Έτσι, έχουν ήδη κατασκευαστεί ολοκληρωμένες λύσεις WSN που μπορούν να παρακολουθούν κάθε πτυχή ενός οικιακού ή βιομηχανικού περιβάλλοντος, μετρώντας απλά μεγέθη όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, ο φωτισμός αλλά και πιο σύνθετα όπως τα ρεύματα αέρα, οι ποιότητα του αέρα ή ακόμα και επισημαίνοντας ποιες πόρτες ή παράθυρα ενός κτιρίου είναι ανοιχτά. Αφού λάβουν τις αντίστοιχες μετρήσεις και μετά από μια βασική επεξεργασία τους, οι κόμβοι του δικτύου αποστέλλουν τα δεδομένα αυτά σε έναν κεντρικό σταθμό που τα επεξεργάζεται περαιτέρω και από τον συνδυασμό τους μπορεί είτε να πληροφορήσει έναν χειριστή είτε να λάβει αποφάσεις για αυτόματες ενέργειες ελέγχου του χώρου [10]. Επιπλέον, εκμεταλλευόμενοι την γενική στιβαρότητα αλλά και τη μεγάλη αυτονομία των κόμβων που τυπικά απαρτίζουν ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων, βιολόγοι και άλλοι

20 10 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων επιστήμονες έχουν αναπτύξει μεθόδους και πρωτόκολλα βασισμένα σε αισθητήρες που παρακολουθούν τη συμπεριφορά της πανίδας διαφόρων περιοχών. Πολλές φορές λόγω και του μικρού τους όγκου, οι αισθητήρες τοποθετούνται πάνω στα ίδια τα ζώα και παρακολουθούν τις συνθήκες ζωής τους, δίνοντας τη δυνατότητα στους επιστήμονες να εξάγουν χρήσιμα συμπεράσματα, όπως για παράδειγμα τους λόγους για τους οποίους οι πληθυσμοί των ζώων μετακινούνται προς κάποιες περιοχές και αποφεύγουν άλλες. Σε πολλές περιπτώσεις, λόγω της ιδιαίτερης φύσης των συγκεκριμένων δικτύων, δεν υπάρχει δυνατότητα επικοινωνίας των αισθητήρων απευθείας με κάποιο σταθμό βάσης που καταγράφει τις μετρήσεις τους. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί μεταδίδοντας τα δεδομένα από αισθητήρα σε αισθητήρα ώσπου να φτάσουν σε κάποιον που είναι εντός εμβέλειας του σταθμού βάσης. Παρ όλα αυτά, η συγκεκριμένη αντιμετώπιση ίσως να μην είναι πάντα εφικτή. Για τον λόγο αυτό, οι επιστήμονες τοποθετούν σταθμούς βάσης σε τακτά διαστήματα κοντά ή μέσα στο φυσικό περιβάλλον των ζώων και, όταν αυτά βρεθούν μέσα στην εμβέλεια των σταθμών, οι αισθητήρες που φέρουν μεταδίδουν αυτόματα τις μετρήσεις που έχουν αποθηκεύσει [11]. Πρόσφορα εδάφη για τη χρήση ασύρματων δικτύων αισθητήρων αποτελούν και η γεωργία και κτηνοτροφία. Αν και σε πειραματικό στάδιο, αναπτύσσονται ήδη εφαρμογές που δίνουν τη δυνατότητα στους αγρότες να παρακολουθήσουν και να διαχειριστούν τις καλλιέργειές τους, παρέχοντας σε πραγματικό χρόνο δεδομένα για την κατάσταση του εδάφους και της παραγωγής. Στον τομέα της κτηνοτροφίας πρόσφατες εφαρμογές έδωσαν τη δυνατότητα δημιουργίας εικονικών φρακτών με την τοποθέτηση αισθητήρων θέσης σε κοπάδια. Οι αισθητήρες αυτοί παρήγαγαν ένα ακουστικό ερέθισμα όταν τα ζώα ξέφευγαν από μια προκαθορισμένη περιοχή. Οι νοητοί αυτοί φράκτες μπορούν να «μετακινηθούν» και αυτόματα σε σχέση με την κίνηση του κοπαδιού, με αποτέλεσμα η τεχνική αυτή να διευκολύνει κατά πολύ τους κτηνοτρόφους, απαλλάσσοντάς τους από τον κόπο της κατασκευής ή της μετακίνησης των εγκαταστάσεών τους [9] Εφαρμογές υγείας Παρακολούθηση ατόμων Τα τελευταία χρόνια, κυρίως λόγω της άνθησης του τομέα των έξυπνων κινητών τηλεφώνων (smartphones) το ενδιαφέρον των καταναλωτών για συσκευές που παρακολουθούν τον οργανισμό τους και παρέχουν συνεχή, πραγματικού χρόνου δεδομένα ολοένα και αυξάνεται. Έχουν ήδη αρχίσει να πωλούνται καινοτόμα οικιακά προϊόντα όπως τηλεοράσεις, ψυγεία, κουζίνες αλλά μέχρι και ζυγαριές και οδοντόβουρτσες, που, συνδεόμενα ασύρματα, δημιουργούν ένα δίκτυο και κατά συνέπεια μια βάση δεδομένων για τον χρήστη τους. Χρησιμοποιώντας τα στοιχεία αυτά, ο χρήστης μπορεί είτε να βελτιώσει την καθημερινότητά του είτε να ενημερώσει έναν επαγγελματία υγείας, παρέχοντάς του πληροφορίες που μέχρι σήμερα δεν ήταν διαθέσιμες. Μάλιστα, πρόσφατα έχουν αρχίσει

21 11 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων να κυκλοφορούν στην αγορά και συσκευές κόμβοι που μπορούν να φορεθούν από τον χρήστη και να παρακολουθήσουν καθημερινές συνήθειές του, όπως το πόσο ασκείται, πόσο κοιμάται, ακόμα και το πόσο ποιοτικός είναι ο ύπνος του. Και πάλι οι συγκεκριμένες συσκευές συνεργάζονται ώστε να προσφέρουν όσο το δυνατόν πληρέστερη εικόνα, με τους κατασκευαστές να αναπτύσσουν φιλικά περιβάλλοντα χρήσης που δίνουν τη δυνατότητα παρακολούθησης των δεδομένων και από ένα έξυπνο τηλέφωνο ή έναν προσωπικό υπολογιστή [12] Παρακολούθηση ασθενών Σε αντιστοιχία με τις προσωπικές εφαρμογές, αυξημένο είναι και το ενδιαφέρον των ε παγγελματιών υγείας για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Εφαρμογές που παρακολουθούν την καθημερινότητα ηλικιωμένων ατόμων ή μικρών παιδιών βρίσκονται ήδη σε πειραματικό στάδιο. Στις εφαρμογές αυτές οι αισθητήρες ενσωματώνονται σε αντικείμενα καθημερινής χρήσης και σε παιδικά παιχνίδια ώστε να καταγράφεται η αλληλεπίδραση των ατόμων με αυτά, δίνοντας τη δυνατότητα αναγνώρισης και πρόληψης νοητικών και γνωστικών διαταραχών [9], [13]. Ενδιαφέρον υπάρχει και για την παραγωγή αισθητήρων μέτρησης ζωτικών λειτουργιών για χρήση σε νοσοκομεία και κλινικές. Εκτός από τα οικονομικά οφέλη που θα προκύψουν από την αντικατάσταση των ακριβώς συσκευών μέτρησης με φθηνούς αισθητήρες, και η εμπειρία των ασθενών θα βελτιωθεί αισθητά, αφού θα τους δοθεί μεγαλύτερη ελευθερία κινήσεων και θα μειωθεί η δυσφορία κατά τη διάρκεια των μετρήσεων Διάσωση Το μικρό κόστος των αισθητήρων και το γεγονός ότι έχουν σχεδιαστεί με βασικό χαρακτηριστικό τους την αυτο οργάνωση τους σε ασύρματα δίκτυα τους καθιστούν ιδιαίτερα χρήσιμους σε περιπτώσεις διασώσεων και φυσικών καταστροφών. Στις καταστάσεις αυτές μπορεί να γίνει ρίψη μεγάλου αριθμού κόμβων από αεροσκάφη, οι οποίοι να δημιουργήσουν αυτόματα ένα δίκτυο, χαρτογραφώντας και ελέγχοντας την περιοχή. Δίνεται με τον τρόπο αυτό δυνατότητα στους διασώστες να συντονίσουν καλύτερα τις προσπάθειές τους και να αποφύγουν επικίνδυνες συνθήκες, μετρώντας εκ των προτέρων τη συγκέντρωση επικίνδυνων ουσιών, τα ποσοστά ραδιενέργειας και άλλα χρήσιμα μεγέθη. [14]

22 12 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Εφαρμογές παρακολούθησης και ελέγχου Διαχείριση κτιρίων Μεγάλες διαστάσεις έχουν πάρει τα τελευταία χρόνια και οι εφαρμογές παρακολούθησης και ελέγχου κτιρίων και κατοικιών (smart homes). Το συγκεκριμένο πεδίο παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές και την αγορά, καθώς έχει τη δυνατότητα να προσφέρει αυξημένη ποιότητα ζωής σε συνδυασμό με μειωμένο κόστος και ελάχιστη αισθητική παρέμβαση. Οι εν λόγω τεχνολογίες μπορούν είτε να εγκατασταθούν παράλληλα με τις υπάρχουσες συσκευές, είτε να ενσωματωθούν σε συσκευές νέας γενιάς κάνοντας ένα βήμα πιο κοντά στο διαδίκτυο των αντικειμένων (Internet of Things IoT). Οι βελτιώσεις αυτές καθιστούν δυνατή μια νέα γενιά άνεσης, ελέγχου, αλλά και ενεργειακής αποδοτικότητας των βιομηχανικών και οικιακών εγκαταστάσεων [15]. Επιπλέον, οι εξελίξεις της τεχνολογίας έχουν συμβάλει στην κατακόρυφη πτώση του κόστους των κόμβων, η οποία, σε συνδυασμό με τα οικονομικά οφέλη της καλύτερης διαχείρισης των πόρων, καθιστά τις συγκεκριμένες εφαρμογές από τις πιο πολλά υποσχόμενες των WSN. Επιπλέον, πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι με την ενσωμάτωση αισθητήρων σε δομικά στοιχεία κτισμάτων υπάρχει δυνατότητα να καταγραφούν οι δονήσεις που προκαλούνται κατά τη διάρκεια σεισμικών και άλλων γεγονότων και επηρεάζουν την ακεραιότητα των υλικών και κατά συνέπεια τη στατικότητα των κτιρίων. Με τις καταγραφές αυτές οι πολιτικοί μηχανικοί μπορούν να κάνουν ακριβέστερες εκτιμήσεις για την εκάστοτε κατάσταση του κτίσματος, κάτι που μέχρι σήμερα έκαναν μόνο παρατηρώντας την εξωτερική κατάσταση των υλικών ή χρησιμοποιώντας ακριβές εξειδικευμένες συσκευές [9] Συγκοινωνίες Εκμεταλλευόμενοι τα προτερήματα των WSN και συγκεκριμένα το γεγονός ότι δεν απαιτούν καλωδιώσεις για την τροφοδοσία και την επικοινωνία τους, ερευνητές έχουν αναπτύξει τα τελευταία χρόνια ολοκληρωμένες λύσεις παρακολούθησης και ελέγχου οχημάτων και στόλων. Οι εφαρμογές αυτές περιλαμβάνουν την παρακολούθηση της πληρότητας χώρων στάθμευσης [16] ή ελεύθερων θέσεων σε αστικό περιβάλλον, αλλά και παρακολούθησης οχημάτων με σκοπό τη βελτιστοποίηση των διαδρομών μεταφορικών μέσων ή την πρόληψη ατυχημάτων λόγω ελλιπούς συντήρησης ή οδηγικού λάθους [17] [18] Ενέργεια Όπως είναι γνωστό, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας, είναι αδύνατον να αποθηκευτεί σε μεγάλες ποσότητες και για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Επίσης, η ζήτηση της ισχύος μεταβάλλεται αρκετά κατά τη διάρκεια της η μέρας λόγω του σχετικά κοινού προγράμματος που ακολουθούν οι κοινωνίες, αλλά και κατά τη διάρκεια του χρόνου λόγω των καιρικών συνθηκών. Έτσι, είναι φανερό ότι θα

23 13 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων ήταν χρήσιμο να δημιουργηθούν έξυπνα ηλεκτρικά δίκτυα (smart grids) που να περιλαμβάνουν συσκευές που θα μεταβάλλουν τη λειτουργία τους ανάλογα με τις ώρες αιχμής. Οι συσκευές τυπικά δημιουργούν ένα τοπικό ασύρματο δίκτυο και μέσω αυτού μεταδίδουν πληροφορίες σε κάποιο κεντρικό σταθμό παρακολούθησης που βρίσκεται στο κτίριο. Ο σταθμός αυτός επεξεργάζεται τα δεδομένα και συντονίζει το δίκτυο αλλά και α ποστέλλει δεδομένα μέσω του διαδικτύου σε κεντρικοποιημένες βάσεις δεδομένων με σκοπό τη δημιουργία μοντέλων οικιακής ηλεκτρικής κατανάλωσης [19]. Ένα παράδειγμα τέτοιας εφαρμογής δημιουργήθηκε πρόσφατα από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βόννης [20], οι οποίοι δημιούργησαν ένα κοινό πρωτόκολλο με βάση το οποίο οι ηλεκτρικές συσκευές μιας τυπικής κατοικίας συντονίζουν τη λειτουργία τους και καθυστερούν τις όποιες ενεργοβόρες διαδικασίες ώστε να εκμεταλλευτούν τις ώρες χαμηλής ζήτησης ισχύος. Ως αποτέλεσμα, οι χρήστες καταναλώνουν ενέργεια σε χρονικά διαστήματα που αυτή κοστίζει λιγότερο, ενώ οι εταιρείες παραγωγής μειώνουν το κόστος λειτουργίας τους, αφού εκμεταλλεύονται καλύτερα τις μονάδες παραγωγής και μειώνουν τις εφεδρείες Εφαρμογές ασφαλείας Όπως προκύπτει από τα προηγούμενα, τα WSN αποτελούν μια από τις πλέον κατάλληλες τεχνολογίες για τη χρήση σε εφαρμογές ασφαλείας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα πολιτικής εφαρμογής αποτελεί η δικτύωση πολλαπλών κιβωτίων μεταφοράς ώστε, πέρα από την παρακολούθησή τους κατά τη μεταφορά, να εξασφαλίζεται και η ασφάλεια των περιεχομένων τους όσο βρίσκονται καθοδόν. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με καταγραφή των ατόμων που αλληλεπιδρούν με τα κιβώτια και των ενεργειών τους [21]. Όσον αφορά τις αμιγώς στρατιωτικές εφαρμογές, πολλές προσπάθειες έχουν συγκεντρωθεί στον τομέα της παρακολούθησης του πεδίου. Τα WSN μπορούν να αντικαταστήσουν τον ακριβό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σήμερα και ο οποίος αποτελείται συνήθως από έναν μόνο κόμβο και κατά συνέπεια προσφέρει λιγότερες δυνατότητες. Επιπλέον, λόγω του σχεδιασμού τους, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων κατά κανόνα αυτο οργανώνονται χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για τοποθέτηση από ανειδίκευτα στρατεύματα. Εκτός αυτού, ο αυξημένος αριθμός αισθητήρων προσφέρει τη δυνατότητα για πολλαπλές μετρήσεις που μπορούν να συνδυαστούν ώστε είτε να εντοπιστεί ακριβέστερα μια απειλή, είτε να βελτιωθεί γενικότερα η αξιοπιστία της παρεχόμενης πληροφορίας [14].

24 14 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Εικόνα 1.2: Στρατιωτικές εφαρμογές πεδίου με χρήση WSN [22] 1.4 Βασικές αρχές δικτυακών συστημάτων Τοπολογία Ο βασικός στόχος σε όλα τα επικοινωνιακά δίκτυα είναι η μετάδοση μηνυμάτων μεταξύ των μελών τους, διατηρώντας ταυτόχρονα μια προβλεπόμενη ποσότητα δεδομένων (Quantity of Service) αλλά και την απαιτούμενη ποιότητα μετάδοσης (Quality of Service, QoS). Η ποσότητα των δεδομένων υποδεικνύεται συνήθως από το throughput, που ορίζεται ως ο μέσος ρυθμός επιτυχημένης λήψης πακέτων σε ένα επικοινωνιακό σύστημα. Από την άλλη, το QoS εξαρτάται από έναν συνδυασμό απαιτήσεων της εκάστοτε εφαρμογής όπως η μέγιστη αποδεκτή καθυστέρηση πακέτου, το μέγιστο ποσοστό χαμένων πακέτων, το μέγιστο bit error rate κ.λπ. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, το QoS είναι μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους σε ένα δίκτυο, καθώς ο συνδυασμός του με περιβαλλοντικούς και οικονομικούς παράγοντες, καθορίζει τις παραμέτρους σχεδιασμού του συστήματος. Κάθε επικοινωνιακό δίκτυο αποτελείται από κόμβους που έχουν επεξεργαστική ισχύ και έχουν τη δυνατότητα να εκπέμπουν και να λαμβάνουν μηνύματα μέσω ενός καναλιού, ενσύρματου ή ασύρματου. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι κόμβοι οργανώνονται στις εξής βασικές τοπολογίες:

25 15 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Πλήρως συνδεδεμένη (fully connected): Η απλούστερη από πλευράς σύλληψης τοπολογία, αλλά ταυτόχρονα πολυπλοκότερη και πιο ακριβή από πλευράς υλοποίησης. Κάθε κόμβος συνδέεται απευθείας με όλους τους υπόλοιπους κόμβους του συστήματος. Χρησιμοποιείται σπάνια, καθώς για δίκτυα με αρκετούς κόμβους ή με κόμβους που είναι απομακρυσμένοι χρειάζονται πολλές συνδέσεις ή συνδέσεις μεγάλου μήκους. Επιπλέον, όσο αυξάνεται το μέγεθος του δικτύου αυξάνεται εκθετικά και η πολυπλοκότητα υπολογισμού των μονοπατιών δρομολόγησης. Τοπολογία αστέρα (star): Όλοι οι σταθμοί συνδέονται σε έναν κεντρικό σταθμό και μέσω αυτού επικοινωνούν με τους υπόλοιπους σταθμούς [23]. Σοβαρό μειονέκτημα της συγκεκριμένης τοπολογίας είναι η ύπαρξη ενός και μόνο σημείου του κεντρικού σταθμού από το οποίο εξαρτάται ολόκληρο το δίκτυο με αποτέλεσμα τη σίγουρη κατάρρευση σε περίπτωση βλάβης του σταθμού αυτού. Τοπολογία δακτυλίου (ring): Μόνο οι διαδοχικοί κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους, με μονοκατευθυντήρια από σημείο σε σημείο (point to point) σύνδεση. Όλα τα μηνύματα που αποστέλλονται φέρουν τη διεύθυνση του κόμβου προορισμού [23]. Με τον τρόπο αυτό, ο κάθε κόμβος ελέγχει αν κάποιο πακέτο που έλαβε έχει ως τελικό προορισμό τον ίδιο και, σε περίπτωση που αυτό δεν ισχύει, προωθεί το πακέτο στον επόμενο σταθμό. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται έως ότου το πακέτο φτάσει στον σωστό προορισμό. Όπως γίνεται εύκολα κατανοητό, η συγκεκριμένη τοπολογία υποφέρει και αυτή από το πρόβλημα του single point of failure, καθώς υπάρχει μόνο ένα μονοπάτι το οποίο περιλαμβάνει όλους τους κόμβους. Επιπλέον, η end to end καθυστέρηση των πακέτων είναι σχετικά αυξημένη, καθώς πρέπει να διανύσουν αρκετούς σταθμούς μέχρι τον τελικό προορισμό τους, λόγω της μονοκατευθυντήριας φύσης των συνδέσεων. Τοπολογία διαύλου (bus): Η συγκεκριμένη τοπολογία είναι η περισσότερο διαδεδομένη στα σημερινά τοπικά δίκτυα. Κάθε σταθμός του δικτύου συνδέεται παθητικά στο κοινό μέσο μετάδοσης και το παρακολουθεί συνεχώς για πακέτα, κρατώντας μόνο όσα απευθύνονται στον ίδιο [23]. Το βασικότερο πλεονέκτημα της εν λόγω διασύνδεσης είναι η στιβαρότητά της σε ασταθή δίκτυα, αφού η απώλεια ενός ή περισσότερων σταθμών δεν επηρεάζει τη δυνατότητα επικοινωνίας των υπολοίπων. Από την άλλη, αν στοχεύουμε σε μεταδόσεις μεγάλων αποστάσεων, χρειαζόμαστε επιπλέον σταθμούς ως αναμεταδότες δεδομένων των απωλειών σήματος που υπάρχει σε όλα τα επικοινωνιακά κανάλια. Τοπολογία δένδρου (tree): Οι κόμβοι αποτελούν τα φύλλα μια δενδροειδούς δομής, με κάθε κόμβο να επικοινωνεί απευθείας μόνο με τους κόμβους αδέρφια (ίδιο επίπεδο στο δένδρο) και τον κόμβο γονιό. Για τη μετάδοση ενός μηνύματος σε έναν σταθμό, πέρα από τους παραπάνω, απαιτείται η διέλευση από ενδιάμεσους σταθμούς. Με την τοπολογία αυτή μειώνεται η πιθανότητα κατάρρευσης ολόκληρου του δικτύου, καθώς μια πιθανή βλάβη θα επηρεάσει μόνο το τμήμα του δένδρου που εξαρτάται από τον προβληματικό σταθμό. Παρ όλα αυτά, υπάρχει ακόμα ένα σημείο βλάβης που μπορεί να θέσει εκτός λειτουργίας όλο το δίκτυο, η ρίζα του δένδρου.

26 16 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Τοπολογία πλέγματος (mesh): Αποτελεί, αν όχι τη μοναδική, την πιο συχνά χρησιμοποιούμενη τοπολογία στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Κάθε κόμβος συνδέεται απευθείας με τους γειτονικούς κόμβους που βρίσκονται μέσα σε κάποια ορισμένη περιοχή. Η περιοχή αυτή μπορεί να ορίζεται από το μήκος των συνδέσεων σε ενσύρματα δίκτυα ή από το εύρος μετάδοσης του κόμβου στα ασύρματα δίκτυα. Από τη στιγμή που δεν υ πάρχει άμεση σύνδεση όλων των σταθμών με όλους τους υπόλοιπους, τα μηνύματα φέρουν όπως και στην τοπολογία δακτυλίου την ταυτότητα του κόμβου προορισμού τους. Έτσι, κάθε μήνυμα περνάει από τον έναν κόμβο στον επόμενο μέχρι να φτάσει στον προορισμό του (multihop). Μεγάλο πεδίο έρευνας στην εν λόγω τοπολογία αποτελεί ο υπολογισμός των βέλτιστων μονοπατιών δρομολόγησης δηλαδή ο καθορισμός της ακριβούς σειράς με την οποία θα περάσει ένα μήνυμα από τους κόμβους, με στόχο κάθε κόμβος να γνωρίζει πού πρέπει να το προωθήσει ανάλογα με τον προορισμό του. Το πρόβλημα της δρομολόγησης περιπλέκεται αν κάθε σύνδεση μεταξύ δύο γειτονικών σταθμών δεν έχει το ίδιο κόστος και ακόμα περισσότερο αν υπάρχει η πιθανότητα να καταρρεύσουν συνδέσεις του δικτύου Εικόνα 1.3: Βασικές δικτυακές τοπολογίες [24]

27 17 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Το μοντέλο αναφοράς OSI Τη δεκαετία του 1970, όταν οι δικτυακές εφαρμογές άρχισαν να γνωρίζουν εξαιρετική άνθιση και να υλοποιούνται από πολλές διαφορετικές ομάδες και οργανισμούς, έγινε φανερή η ανάγκη δημιουργίας ενός καθολικού προτύπου που θα ορίζει όλες τις παραμέτρους επικοινωνίας. Ένα κοινό μοντέλο αναφοράς έδωσε τη δυνατότητα στους διάφορους σχεδιαστές και κατασκευαστές συστημάτων να παράγουν συσκευές και εφαρμογές που μπορούν να συνεργαστούν μεταξύ τους χωρίς να χρειάζεται να γνωρίζουν τις λεπτομέρειες κατασκευής των συμβατών συσκευών. Επιπλέον, αυτό το μοντέλο αναφοράς διαχώρισε τις λειτουργίες ενός επικοινωνιακού συστήματος σε απομονωμένα επίπεδα που λειτουργούν σε συνεργασία αλλά ανεξάρτητα. Το γεγονός αυτό έδωσε τη δυνατότητα στους σχεδιαστές να επιλέγουν ένα ή περισσότερα επίπεδα με τα οποία θα ασχολούνται, με μόνη απαίτηση τη διατήρηση της συμβατότητας με τα υπόλοιπα επίπεδα θεωρώντας τα σαν μαύρα κουτιά. Ένα από τα επικρατέστερα πρότυπα που χρησιμοποιείται μέχρι και σήμερα στην πλειονότητα των εφαρμογών ήταν το μοντέλο αναφοράς OSI που στη βασική του μορφή αποτελείται από επτά επίπεδα που περιγράφονται εν συντομία στη συνέχεια: 1. Φυσικό: Περιλαμβάνει τα μηχανικά, ηλεκτρικά και γενικότερα διαδικαστικά πρότυπα πρόσβασης στο κανάλι. 2. Σύνδεσης: Παρέχει τα λειτουργικά και τα διαδικαστικά μέσα για τη μεταφορά δεδομένων ανάμεσα σε δύο συσκευές του δικτύου, καθώς και για την ανίχνευση και διόρθωση τυχόν σφαλμάτων μετάδοσης του φυσικού επιπέδου. Μέρος του αποτελούν τα υποεπίπεδα Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (Media Access Control MAC) και Ελέγχου Λογικών Συνδέσεων (Logical Link Control LLC). 3. Δικτύου: Φροντίζει για τη μεταγωγή και τη δρομολόγηση των συμβολοσειρών που αντιπροσωπεύουν τα πακέτα. Επιπλέον, είναι το επίπεδο στο οποίο διασυνδέονται τα διάφορα ενδιάμεσα δίκτυα και προσφέρει στα υψηλότερα επίπεδα τη δυνατότητα να αγνοήσουν τις ιδιαιτερότητες του εκάστοτε καναλιού και δικτύου. 4. Μεταφοράς: Αναλαμβάνει να παρέχει στα υψηλότερα επίπεδα διαφανή μεταφορά δεδομένων μεταξύ των διασυνδεδεμένων συστημάτων, βελτιστοποιώντας τις δικτυακές υπηρεσίες και φροντίζοντας για την αποδοτικότερη χρήση το δικτύου. 5. Συνόδου: Εξασφαλίζει τις δομές εκείνες που προσφέρουν ταυτόχρονη δικατευθυντήρια επικοινωνία κόμβων του δικτύου και των συγχρονισμό τους. Δίνει δηλαδή τη δυνατότητα στα επόμενα επίπεδα να ελέγχουν την επικοινωνία. 6. Παρουσίασης: Απομονώνει τα χαμηλότερα επίπεδα και μετασχηματίζει τα δεδομένα σε μια τυπική μορφή ώστε να δώσει στους σχεδιαστές εφαρμογών τη δυνατότητα να παράγουν εφαρμογές ανεξαρτήτως των λεπτομερειών του καναλιού και του δικτύου. 7. Εφαρμογής: Παρέχει τη δυνατότητα στον τελικό χρήστη να χρησιμοποιήσει τους πόρους του δικτύου, αφού σε αυτό το επίπεδο ανήκουν όλες οι δομές που υλοποιούν τη

28 18 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων διεπαφή ανθρώπου μηχανής. Δεν έχει σκοπό να εξυπηρετήσει κάποιο υψηλότερο ε πίπεδο, αλλά να κάνει όσο το δυνατόν ευκολότερη την αλληλεπίδραση του τελικού χρήστη με το δικτυακό σύστημα. Εικόνα 1.4: Το μοντέλο αναφοράς OSI [25] Λόγω της μικρής πολυπλοκότητας των ασύρματων δικτύων αισθητήρων και με σκοπό την εξοικονόμηση πόρων στα συστήματα αυτά προτιμάται πολλές φορές η χρήση του περιορισμένου μοντέλου OSI, στο οποίο κάποια επίπεδα είτε λείπουν είτε έχουν συνδυαστεί σε ένα μεγαλύτερο επίπεδο. Μάλιστα έχει προταθεί μια εναλλακτική δικτυακή στοίβα που ενοποιεί κάποια από τα επίπεδα που περιγράφηκαν και προσθέτει τρία επίπεδα στην τρίτη διάσταση, ειδικά σχεδιασμένα για την περίπτωση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Τα επιπλέον επίπεδα αυτά λειτουργούν συνδυάζοντας τα οριζόντια επίπεδα και φροντίζοντας για τη σωστή συνεργασία των κόμβων μεταξύ τους με σκοπό τη βελτιστοποίηση του συστήματος, καθώς κάτι τέτοιο δεν έχει προβλεφθεί από το μοντέλο OSI. Μια σχηματική αναπαράσταση της εν λόγω στοίβας παρουσιάζεται παρακάτω.

29 19 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Εικόνα 1.5: Εναλλακτική δικτυακή στοίβα για τα WSN [1] Δρομολόγηση Όπως αναφέρθηκε ήδη, λόγω των ιδιαιτεροτήτων των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων γίνεται χρήση της επικοινωνιακής λογικής multihop. Στη τυπική περίπτωση επικοινωνίας multihop ένα πακέτο διέρχεται από παραπάνω από έναν σταθμούς για να φτάσει στον προορισμό του. Για την ακρίβεια, κάθε πακέτο μεταδίδεται από κόμβο σε κόμβο ώσπου να φτάσει στον κόμβο για τον οποίο προορίζεται. Όπως είναι φανερό, η συγκεκριμένη τεχνική εξαλείφει την ανάγκη για απευθείας επικοινωνία μεταξύ όλων των κόμβων του δικτύου, αλλά προσθέτει πολυπλοκότητα στην υλοποίηση λόγω των πολλών διαφορετικών διαδρομών που μπορεί να ακολουθήσει ένα πακέτο. Οι διαφορετικοί τρόποι καθορισμού των διαδρομών αυτών και η κατηγοριοποίηση τους θα παρουσιαστούν σε αυτή την ενότητα. Χρήσιμο όμως θα ήταν να αναφερθούν οι λόγοι και τα πλεονεκτήματα που οδήγησαν στην ευρεία υιοθέτηση της επικοινωνίας multihop στα WSN. Αρχικά, η ίδια η κατανεμημένη φύση των αισθητήρων σε συνδυασμό με τη περιορισμένη επεξεργαστική ισχύ τους οδήγησε σχεδόν υποχρεωτικά στην υλοποίηση των εν λόγω δικτύων με τοπολογίες πλέγματος (mesh). Για διάφορους όμως λόγους, όπως η ενεργειακή αποδοτικότητα αλλά και η ανάγκη χαμηλού κόστους κατασκευής, η εμβέλεια των περισσότερων motes είναι περιορισμένη. Η λογική multihop δίνει τη δυνατότητα σε όλους τους κόμβους του δικτύου να μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, άλλοι άμεσα και άλλοι έμμεσα. Επιπλέον, πολλές φορές η εμβέλεια αποστολής και λήψης είναι ευθέως ανάλογη της ενεργειακής κατανάλωσης ενός κόμβου. Εκτός αυτού, όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση που πρέπει

30 20 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων να διανύσει ένα πακέτο μέσα στο κανάλι, τόσο αυξάνονται οι απώλειες σήματος και η πιθανότητα για μη επιτυχή μετάδοση. Κατά συνέπεια, ίσως είναι πιο αποδοτικό να γίνει ρύθμιση του συστήματος για χαμηλότερη εμβέλεια και περισσότερους ενδιάμεσους σταθμούς σε σχέση με υλοποιήσεις fully connected one hop [1]. Εικόνα 1.6: Παράδειγμα επικοινωνίας multihop [1] Όσο αυξάνεται ο συνολικός αριθμός των κόμβων ενός WSN και λόγω της μεγάλης χωρικής πυκνότητάς τους τα διαφορετικά μονοπάτια που δυνητικά μπορεί να ακολουθήσει ένα πακέτο αυξάνονται εκθετικά. Για τον λόγο αυτό έχουν δημιουργηθεί και αναπτύσσονται συνεχώς νέες δομές και διαδικασίες που καθορίζουν πώς γίνεται ο σχεδιασμός των μονοπατιών αυτών και επιλέγεται αυτό που τελικά χρησιμοποιείται σε περίπτωση που προκύψουν περισσότερα του ενός. Οι λεπτομέρειες των διαφόρων υλοποιήσεων ξεφεύγουν από τα όρια του παρόντος, όμως είναι χρήσιμο να παρουσιαστούν οι τρόποι κατηγοριοποίησής τους [26]: Με βάση τον καθορισμό των διαδρομών(paths): Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των διαφόρων πρωτοκόλλων και μεθόδων δρομολόγησης είναι ο τρόπος και κυρίως ο χρόνος κατά τον οποίο καθορίζουν τα μονοπάτια. Διακρίνονται τρεις βασικές κατηγορίες: Proactive: Τα μονοπάτια υπολογίζονται πριν καν χρειαστούν. Μειονεκτεί σημαντικά σε προσαρμοστικότητα και έχει αυξημένες απαιτήσεις χώρου που αυξάνουν εκθετικά με το μέγεθος το δικτύου. Από την άλλη, μειώνει το βάρος του υπολογισμού μονοπατιών ή και το αφαιρεί εντελώς, αφού η υπολογιστική διαδικασία μπορεί να γίνει και σε ξεχωριστό σταθμό υπολογισμού. Reactive: Εδώ ο υπολογισμός γίνεται όταν παρουσιαστεί ανάγκη εύρεσης ενός δρόμου μεταξύ δύο κόμβων. Πλεονεκτεί στο ότι μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί στις αλλαγές του δικτύου όπως για παράδειγμα προσθαφαιρέσεις κόμβων. Hybrid: Συνδυασμός χαρακτηριστικών των παραπάνω υλοποιήσεων.

31 21 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Με βάση τη δομή του δικτύου: Διαχωρίζει τις τεχνικές σε επίπεδη (flat), ιεραρχική και σχετική με την τοποθεσία (location based). Στη μεν επίπεδη τεχνική όλοι ο κόμβοι αντιμετωπίζονται ως ίδιοι, ενώ στις άλλες δύο η δρομολόγηση εξαρτάται από την ιεράρχησή τους (π.χ. τυχόν κεντρικούς σταθμούς) και την τοποθεσία τους αντίστοιχα. Με βάση τη λειτουργία το πρωτοκόλλου δρομολόγησης: Εδώ ο διαχωρισμός γίνεται με κριτήρια που αφορούν τις λεπτομέρειες πρωτοκόλλων δρομολόγησης όπως το αν προβλέπουν πολλαπλά εναλλακτικά μονοπάτια, αν ελέγχουν το μονοπάτι πριν το ε πιλέξουν κ.α. Με βάση τον εκκινητή της επικοινωνίας: Οι τεχνικές εδώ κατηγοριοποιούνται με γνώμονα το αν την επικοινωνία την ξεκινά ο κόμβος πηγή ή ο κόμβος προορισμού. Εικόνα 1.7: Σύνοψη κατηγοριών πρωτοκόλλων δρομολόγησης [26]

32 22 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN 2 Βελτίωση της ποιότητας των WSN 2.1 Ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service QoS) Για να μετρηθεί ποσοτικά και ντετερμινιστικά η ποιότητα ενός δικτύου, πρέπει να οριστούν ορισμένα κοινώς αποδεκτά κριτήρια, τα οποία θα προσφέρουν μια γενική εικόνα του συστήματος με κοινά αποδεκτό τρόπο. Τα πιο συνηθισμένα κριτήρια που χρησιμοποιούνται περιγράφονται στην επόμενη ενότητα και αναφέρονται συλλήβδην ως «ποιότητα υπηρεσιών» ή συνηθέστερα quality of service, QoS. Το σύνολο των μεγεθών που απαρτίζουν το QoS και τα όρια στα οποία πρέπει να κινούνται οι τιμές τους εξαρτώνται κατά πολύ από τη συγκεκριμένη εφαρμογή και τις σχεδιαστικές απαιτήσεις της. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, στην πλειονότητα των περιπτώσεων, η χρησιμότητα των εκάστοτε ποιοτικών μετρήσεων να περιορίζεται στην σύγκριση μεταξύ υλοποιήσεων. Στο σύνολο της ποιότητας υπηρεσιών συμπεριλαμβάνονται πολλά και διαφορετικά μεγέθη κατά περίπτωση, με τα συνηθέστερα που χρησιμοποιούνται ευρέως και στα WSNνα είναι: Μέγιστος ρυθμός επικοινωνίας (throughput) Ανεξαρτήτως του τύπου του δικτύου οι κόμβοι επικοινωνούν μεταξύ τους κάνοντας χρήση ενός καναλιού με πεπερασμένη χωρητικότητα. Επιπλέον, πρόσθετοι περιορισμού υλικού και λογισμικού επιβάλλουν μια μέγιστη ταχύτητα με την οποία τα δεδομένα μπορούν να εισαχθούν στο κανάλι. Έτσι, ο ρυθμός με τον οποίο τα πακέτα παράγονται, μεταφέρονται και καταναλώνονται παρουσιάζει ένα μέγιστο που καλείται throughput Ποσοστό χαμένων πακέτων Σε κάθε εφαρμογή ένα κλάσμα των μεταδιδόμενων πακέτων αποτυγχάνει να φτάσει στον προορισμό του επιτυχώς. Οι τρόποι με τους οποίους ορίζεται η επιτυχία ή η αποτυχία άφιξης αλλά και ο λόγοι για τους οποίους μπορεί να αποτύχει η μετάδοση ενός πακέτου διαφέρουν ανάλογα με την εφαρμογή. Για παράδειγμα, ένα πακέτο μπορεί να μην φτάσει ποτέ στον προορισμό του λόγω προβλήματος στο κανάλι ή επειδή ο χώρος του κόμβου λήψης για την υποδοχή νέων πακέτων ήταν πλήρης. Από την άλλη, η ίδια η εφαρμογή μπορεί να απορρίψει κάποια πακέτα δεδομένων, θεωρώντας είτε ότι έφτασαν πολύ αργά (μετά το expiration time), ότι έχουν λάθη στα δεδομένα τους (τα δεδομένα που λαμβάνονται δεν είναι όμοια με αυτά που εστάλησαν) ή για άλλους λόγους που σχετίζονται με την συγκεκριμένη υλοποίηση. Σε περίπτωση που ένας κόμβος δέκτης ανιχνεύσει κάποιο λάθος σε ένα πακέτο, συνήθως απαιτεί την επανάληψη της μετάδοσης για έναν προκαθορισμένο αριθμό φορών. Αν μετά την παρέλευση του ορίου αυτού το πακέτο συνεχίζει να είναι λανθασμένο, μπορεί να θεωρηθεί

33 23 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN ότι απέτυχε να παραδοθεί. Το πρόβλημα της απώλειας πακέτων εντείνεται σε δίκτυα με αναξιόπιστα κανάλια όπως καλώδια χαλκού μεγάλου μήκους ή ασύρματες συνδέσεις που τυπικά χρησιμοποιούνται και στα WSN Καθυστέρηση πακέτων (latency ή end to end delay) Όπως είναι φυσικό, από τη στιγμή της δημιουργίας ενός πακέτου έως και την παραλαβή του από τον τελικό του αποδέκτη μεσολαβεί ένα χρονικό διάστημα που, ανάλογα με την εφαρμογή, μπορεί να είναι της τάξης μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου ως και μερικών ωρών. Η καθυστέρηση αυτή παρατηρείται σε σχεδόν όλα τα βήματα που ακολουθεί ένα πακέτο δεδομένων: κάθε ολοκληρωμένο κύκλωμα από το οποίο διέρχεται η πληροφορία προσθέτει ένα τμήμα καθυστέρησης έως ότου επεξεργαστεί την είσοδο και παράγει την έξοδό του. Επιπλέον, κατά τη διάδοσή τους τα πακέτα διέρχονται από έναν ή περισσότερους σταθμούς που τα αναμεταδίδουν. Κατά την αναμετάδοση αυτή δημιουργείται και το μεγαλύτερο μέρος της καθυστέρησης πακέτου που οφείλεται στην επεξεργασία των πακέτων από τον κόμβο αλλά και στην πιθανή ανάγκη επανάληψης της μετάδοσης Κατανάλωση ενέργειας Όπως και σε όλα τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα έτσι και στους δικτυακούς κόμβους, απαραίτητη προϋπόθεση λειτουργίας είναι η τροφοδοσία με ηλεκτρική ενέργεια. Οι σταθμοί μπορεί να τροφοδοτούνται είτε από το ηλεκτρικό δίκτυο, κάτι που σημαίνει ότι υπάρχει κατά κανόνα αδιάκοπη τροφοδοσία, είτε από κάποια φορητή ενεργειακή πηγή, κάτι που ισοδυναμεί με περιορισμένη δυνατότητα παροχής ενέργειας. Ακόμη και στην περίπτωση κόμβων που τροφοδοτούνται απευθείας από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας η μείωση της κατανάλωσης είναι μείζονος σημασίας για την οικονομική λειτουργία του συστήματος. Παρ όλα αυτά, η σπουδαιότητα της πηγής ενέργειας αλλά και του τρόπου χρήσης της στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι ακόμα μεγαλύτερη, καθώς η εξάρτησή τους από την τροφοδοσία περιορίζει τον αυτόνομο χαρακτήρα τους και δυσχεραίνει τη λειτουργία τους σε δυσπρόσιτα σημεία. Σε πολλές περιπτώσεις μετά την εγκατάσταση του δικτύου, η φυσική πρόσβαση στους κόμβους του είναι αδύνατη και κατά συνέπεια δεν υπάρχει τρόπος επαναφόρτισης ή αντικατάστασης της πηγής ενέργειας που χρησιμοποιούν. Έτσι, οι μηχανικοί των WSN πρέπει να σχεδιάζουν και να υλοποιούν τρόπους για να πετύχουν είτε την ανανέωση της πηγής ενέργειας για παράδειγμα με χρήση φωτοβολταϊκών κυττάρων είτε την ελαχιστοποίηση της ισχύος που καταναλώνουν οι κόμβοι ώστε να αυξηθεί ο χρόνος ζωής τους. Στα πλαίσια του QoS αναζητούνται τεχνικές σε επίπεδο υλικού και λογισμικού ώστε να μειωθεί κατά το δυνατόν η προαναφερθείσα καταναλισκόμενη ισχύς.

34 24 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN Ρυθμός και ανίχνευση λαθών Σε οποιαδήποτε μετάδοση ένα ποσοστό των δεδομένων που αποστέλλονται λαμβάνεται λανθασμένο. Ανάλογα με την εφαρμογή, τυπικές αιτίες πρόκλησης σφάλματος στη μετάδοση των δεδομένων είναι ο θόρυβος στο κανάλι, οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, οι παραμορφώσεις που προκαλούνται κυρίως στα συστήματα αποστολής και λήψης, αλλά και προβλήματα συγχρονισμού. Στα ψηφιακά συστήματα όπου τα δεδομένα αναπαρίστανται με σειρές από bit, ορίζεται ένα βασικό μέγεθος το οποίο περιγράφει την ποσότητα λαθών μιας μετάδοσης και ονομάζεται ρυθμός λανθασμένων bit (bit error rate, BER). Το μέγεθος αυτό είναι ίσο με τον λόγο των εσφαλμένων bit προς τα συνολικά bit που λαμβάνονται σε μια μονάδα χρόνου και αποτελεί ένα από τα βασικότερα μεγέθη μέτρησης της ποιότητας ενός δικτυακού συστήματος. Αντίστοιχα με το BER ορίζεται και ο ρυθμός λανθασμένων πακέτων (PER), που αντιπροσωπεύει αντίστοιχα τα ποσοστό των προβληματικών πακέτων της μετάδοσης και, λόγω της ανεξαρτησίας του από την αναπαράσταση των δεδομένων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε αναλογικά συστήματα. Εξίσου σημαντικό στοιχείο για την εύρυθμη λειτουργία ενός δικτυακού συστήματος α ποτελούν οι τεχνικές ανίχνευσης λαθών κατά τη μετάδοση αλλά και διόρθωσης τους ό ταν ανιχνευθούν. Στο πεδίο αυτό έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμα πρωτόκολλα και τεχνικές, οι οποίες ξεφεύγουν από το πλαίσιο της παρούσας εργασίας. Όλα τα παραπάνω ειδικά χαρακτηριστικά μπορούν να καθοριστούν λίγο έως πολύ σε όλα τα επίπεδα του δικτυακού μοντέλου OSI που παρουσιάστηκε προηγουμένως. Συνεπώς η βελτίωση του QoS αποτελεί στόχο των μηχανικών δικτυακών συστημάτων ανεξαρτήτως του επιπέδου ενδιαφέροντος. 2.2 Βελτίωση του QoS με μείωση της κυκλοφορίας δεδομένων Μια από τις παραμέτρους που επηρεάζουν ριζικά την ποιότητα του δικτύου και των υ πηρεσιών του είναι η φόρτισή του. Με τον όρο «φόρτιση» ή «φόρτο» του δικτύου εννοούμε την ποσότητα των δεδομένων που κυκλοφορούν σε αυτό σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Συγκεκριμένα στην περίπτωση των WSN, ο φόρτος του δικτύου είναι συνήθως άμεση συνάρτηση του ρυθμού με τον οποίο λαμβάνονται μετρήσεις από τους αισθητήρες, αφού τυπικά μια μέτρηση οδηγεί και στην αποστολή ενός πακέτου. Επιπλέον, λόγω των ιδιαιτεροτήτων που έχουν τα εν λόγω δίκτυα, η κίνηση που παρουσιάζουν παίζει καταλυτικό ρόλο στη λειτουργία τους για τους λόγους ακολουθούν.

35 25 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN Διαστήματα αδράνειας Οι κόμβοι των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων σχεδιάζονται με σκοπό να λειτουργούν αυτόνομα και για όσο το δυνατόν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Ένας από τους ευκολότερους τρόπους να επιτευχθεί η μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής των κόμβων είναι η χρήση πρωτοκόλλων που τους θέτουν σε κατάσταση αδράνειας για όσο το δυνατόν περισσότερο. Ως αποτέλεσμα, στα σύγχρονα WSN ένας τυπικός κόμβος μπορεί να παραμείνει σε αδράνεια (sleep ή low power mode) για χρονικό διάστημα που φτάνει μέχρι και το 99% του χρόνου λειτουργίας του. Κατά συνέπεια, όταν ο κόμβος αυτός πρέπει να δεχθεί ένα πακέτο ή να αποστείλει μια μέτρηση που παρήγαγε, ο χρόνος που έχει για να το κάνει αντιστοιχεί σε ένα πολύ μικρό κλάσμα του συνολικού χρόνου λειτουργίας του δικτύου, αυξάνοντας απότομα τη δικτυακή κίνηση που διέρχεται από τον κόμβο και ε ντείνοντας τη συμφόρηση δεδομένων σε αυτόν Πλεονασμός δεδομένων Λόγω της φύσης τους, στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων οι μετρήσεις και τα αποτελέσματα των μεταδόσεων μπορεί να είναι ανακριβή ή λανθασμένα. Αυτό οφείλεται σε διάφορους παράγοντες όπως η μικρή αξιοπιστία υλικού (λόγω της απαίτησης χαμηλού κόστους) αλλά και οι επιρρεπείς σε αλλαγές και λάθη συνθήκες λειτουργίας του υλικού και του καναλιού μετάδοσης (αλλαγές θέσης των κόμβων, ακραίες θερμοκρασίες και ατμοσφαιρικές πιέσεις, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, ακτινοβολίες κ.ά.). Οι συνθήκες αυτές προκαλούν προβλήματα επικοινωνίας που είναι ιδιαίτερα συνηθισμένα στα WSN. Επιπλέον, συνήθης σκοπός των δικτύων αισθητήρων είναι η παρακολούθηση του περιβάλλοντός τους σε δύο διαστάσεις, τη χωρική και τη χρονική. Όσον αφορά τη χωρική διάσταση, οι αισθητήρες πρέπει να κατανεμηθούν στον χώρο ανάλογα με την εμβέλεια των μετρήσεων τους, την επικοινωνιακή τους εμβέλεια και την ακρίβεια μετρήσεων η οποία απαιτείται. Ταυτόχρονα, πρέπει να υπάρχει και χρονική κάλυψη των γεγονότων του περιβάλλοντος ώστε να τηρηθεί η ακρίβεια που απαιτείται από την εφαρμογή. Συνεπώς, θα πρέπει ο σχεδιασμός του συστήματος να προβλέπει τις καθυστερήσεις που υπάρχουν ανάμεσα σε διαδοχικές μετρήσεις των αισθητήρων και να περιλαμβάνει τυχόν αναγκαίους επιπλέον κόμβους ώστε να επιτευχθούν οι προδιαγραφές της εφαρμογής. Ο πιο ασφαλής τρόπος για αντιμετωπιστούν οι δύο παραπάνω κατηγορίες προβλημάτων είναι να εισαγάγουμε στο σύστημα έναν αριθμό επιπλέον κόμβων που, ενώ δεν είναι απολύτως απαραίτητοι για τη λειτουργία του, αυξάνουν τη χωρική και χρονική πυκνότητα των μετρήσεων και τη στιβαρότητα του δικτύου. Δυστυχώς όμως κάθε νέος δικτυακός κόμβος αυξάνει εκθετικά την ποσότητα των δεδομένων που κυκλοφορούν στο δίκτυο και, όπως περιγράψαμε προηγουμένως, δημιουργεί πλεονασμό δεδομένων με πακέτα που έχουν ίδιο ή παρόμοιο περιεχόμενο. Αυξανομένης λοιπόν της κίνησης στο δίκτυο, αυξάνεται και η συμφόρηση σε κεντρικούς κόμβους, δημιουργώντας κίνδυνο κατάρρευσης του δικτύου. Είναι συνεπώς προφανής

36 26 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN η ανάγκη ανάπτυξης τεχνικών που θα αντιμετωπίζουν τον πλεονασμό δεδομένων, εκμεταλλευόμενες ταυτόχρονα την επιπλέον ακρίβεια και αξιοπιστία που προσφέρει. 2.3 Βελτίωση του QoS με μείωση του φόρτου Έχει ήδη αναφερθεί η επίδραση που έχει ο φόρτος του δικτύου στην απόδοσή του. Α κόμη περισσότερο, στα WSN, όπου γίνεται συνήθως χρήση τοπολογίας mesh και ταυτόχρονα το σύστημα αποτελείται από εκατοντάδες ή και χιλιάδες κόμβους, η δικτυακή κίνηση μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Συγκρατώντας τη φόρτιση σε χαμηλά επίπεδα επιτυγχάνεται η βελτίωση όλων των παραμέτρων ποιότητας του δικτύου. Η επίδραση αυτή σε σημαντικές παραμέτρους των WSN αναλύεται στις παραγράφους που ακολουθούν Κατανάλωση ενέργειας Τα κυκλώματα πομποδέκτη (radio modules) που περιλαμβάνουν όλοι οι κόμβοι και είναι απαραίτητα για τη μεταξύ τους επικοινωνία αποτελούν και τη μεγαλύτερη πηγή κατανάλωσης ενέργειας. Για τη βέλτιστη λειτουργία του συστήματος τα κυκλώματα αυτά μένουν σε ανενεργή κατάσταση για όσο το δυνατόν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και ε νεργοποιούνται μόνο όταν απαιτείται μετάδοση ή λήψη. Ωστόσο, ακόμα και με αυτόν τον τρόπο η κατανάλωση του radio είναι σημαντική. Επιπροσθέτως, κατά τη μετάδοση ενός πακέτου δεδομένων είναι δυνατόν το κανάλι επικοινωνίας να είναι απασχολημένο από έναν άλλο κόμβο και να δημιουργηθεί η λεγόμενη σύγκρουση (collision). Στην περίπτωση αυτή ο κόμβος επαναλαμβάνει τη μετάδοση σύμφωνα με τους κανόνες που θέτει το πρωτόκολλο MAC που χρησιμοποιεί. Παρ όλη όμως την αποτυχία της μετάδοσης, ο πομποδέκτης καταναλώνει ένα ποσό ενέργειας έστω και για να ελέγξει κατά πόσο είναι ελεύθερο το κανάλι. Συνεπώς, με την αύξηση του αριθμού των συγκρούσεων μεγεθύνεται αντίστοιχα και το πρόβλημα της κατανάλωση ενέργειας. Είναι λοιπόν προφανές ότι μειούμενης της δικτυακής κίνησης μειώνεται άμεσα και το διάστημα κατά το οποίο θα παραμένουν λειτουργικά τα radio modules, όπως και η πιθανότητα δημιουργίας σύγκρουσης στο κανάλι, βελτιώνοντας έτσι τη χρήση ενέργειας από τους κόμβους Ποσοστό χαμένων πακέτων Δύο είναι οι κύριοι λόγοι εξαιτίας των οποίων προκύπτουν χαμένα πακέτα: οι συγκρούσεις στο κανάλι και ο περιορισμένος χώρος αποθήκευσης των εισερχόμενων πακέτων. Οι συγκρούσεις, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, προκύπτουν κατά την έναρξη της μετάδοσης ενός πακέτου. Έτσι, μειώνοντας τον αριθμό των πακέτων ή μεταδίδοντας τον ίδιο όγκο δεδομένων αλλά συμπτυγμένο σε λιγότερα πακέτα αποφεύγουμε και ένα μέρος των συγκρούσεων. Από την άλλη, μεγαλύτερα πακέτα σημαίνει και μεγαλύτερος χρόνος απασχόλησης του καναλιού και κατά συνέπεια αυξημένη πιθανότητα σύγκρουσης. Έτσι, πρέπει να βρεθεί μια μέση λύση ανάμεσα στο κέρδος από την μεγιστοποίηση

37 27 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN του πακέτου και της απώλειας απόδοσης λόγω των συγκρούσεων και να καθοριστεί ένα βέλτιστο μέγεθος πακέτου, κάτι που προσεγγίσαμε στην ανάπτυξη της παρούσας τεχνικής. Επιπρόσθετα, σε όλους τους δικτυακούς κόμβους υπάρχει ένας προσωρινός χώρος αποθήκευσης (buffer), στον οποίο εισάγονται τα λαμβανόμενα πακέτα έως ότου υποστούν επεξεργασία ή αποσταλούν στον επόμενο προορισμό τους. Αυτός ο χώρος είναι συνήθως σχετικά περιορισμένος και ακόμα περισσότερο στους κόμβους αισθητήρων κινείται συνήθως στις τάξεις των εκατοντάδων bytes, δίνοντας τη δυνατότητα αποθήκευσης ενός μικρού αριθμού πακέτων. Στην περίπτωση που, κατά την αύξηση της κίνησης στο δίκτυο, εμφανιστεί κάποιο πακέτο χωρίς να υπάρχει χώρος για την εξυπηρέτησή του, τότε αυτό απορρίπτεται. Δεδομένου λοιπόν ότι η συνολική χωρητικότητα του buffer είναι σταθερή, υψηλότερος φόρτος θα σήμαινε και άμεσα μεγαλύτερο ρυθμό πληρότητας των buffers και συνεπώς περισσότερα χαμένα πακέτα Καθυστέρηση πακέτου Και σε αυτό το χαρακτηριστικό του δικτύου ο ρυθμός των συγκρούσεων παίζει σημαντικό ρόλο, καθώς η εμφάνιση σύγκρουσης και η επανάληψη της προσπάθειας μετάδοσης που προκύπτει προσθέτουν στον χρόνο που μεσολαβεί ανάμεσα στη δημιουργία ενός πακέτου και τη λήψη του, αφού στα σύγχρονα δίκτυα αισθητήρων γίνεται συνήθως χρήση πρωτοκόλλων MAC, που βασίζονται στη λογική CSMA και περιμένουν να ελευθερωθεί το κανάλι πριν ξεκινήσουν μια μετάδοση. Εκτός αυτού, οι δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες των WSN δεν επιτρέπουν τη χρήση των παραδοσιακών πρωτοκόλλων MAC για την αποφυγή συγκρούσεων π.χ. token ring τα οποία σε κάθε περίπτωση θα προκαλούσαν αύξηση στην καθυστέρηση. Επιπλέον καθυστέρηση προκαλείται από την αναμονή των πακέτων στους χώρους προσωρινής αποθήκευσης, οι οποίοι για λόγους απόδοσης δικαιοσύνης λειτουργούν με λογική ουράς (queue, first in first out FIFO), επεξεργαζόμενοι τα πακέτα με τη σειρά κατά την οποία φτάνουν. Για το παραπάνω πρόβλημα έχουν προταθεί πολλαπλές λύσεις και πρωτόκολλα. Στην τεχνική που προτείνουμε χρησιμοποιείται ένα ειδικό πεδίο σε κάθε πακέτο που καλείται χρόνος λήξης. Με τον τρόπο αυτό παρακάμπτεται η λογική FIFO και εξυπηρετούνται κατά προτεραιότητα τα πακέτα που έχουν μικρότερο χρόνο λήξης, ενώ την ίδια στιγμή διατηρούνται διαφορετικές ουρές ανάλογα με την προτεραιότητα του πακέτου Εκμετάλλευση του καναλιού Με τη συνεχή πρόοδο και έρευνα στο πεδίο των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων τα όρια της απόδοσής τους επεκτείνονται όλο και περισσότερο. Παρ όλα αυτά όσο και αν αυξάνεται η ταχύτητα των συστημάτων μέσω υλικού και λογισμικού ανακύπτει το πρόβλημα της βέλτιστης εκμετάλλευσης του καναλιού. Το θέμα αυτό έγκειται στο ότι κατά

38 28 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου ζωής του δικτύου το κανάλι δεν χρησιμοποιείται, καθώς οι κόμβοι επεξεργάζονται τα πακέτα δεδομένων. Ως αποτέλεσμα, δεν γίνεται πλήρης εκμετάλλευση του εύρους ζώνης του καναλιού και προκύπτει σπατάλη των ήδη περιορισμένων πόρων. Η ρύθμιση της κίνησης των δεδομένων στο δίκτυο βελτιώνει τον ρυθμό επικοινωνίας (throughput) και κάνει καλύτερη χρήση του χρόνου μετάδοσης του κόμβου, εκμεταλλευόμενη στο μέγιστο το επικοινωνιακό κανάλι. 2.4 Τεχνικές και μέθοδοι για τη μείωση φόρτου του δικτύου Όπως αναφέρθηκε, η βελτίωση της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών ενός δικτύου βρίσκεται στο επίκεντρο της έρευνας και του σχεδιασμού των μηχανικών δικτυακών συστημάτων. Επιπλέον, ο τρόπος ορισμού και μέτρησης της ποιότητας αυτής εξαρτάται κατά μεγάλο βαθμό από τις λεπτομέρειες του συστήματος. Ως αποτέλεσμα, έχουν δημιουργηθεί πολυάριθμες τεχνικές, πρωτόκολλα και αλγόριθμοι που αντιμετωπίζουν ένα ή περισσότερα προβλήματα ποιότητας σε ένα ή περισσότερα επίπεδα της επικοινωνιακής στοίβας. Ακόμη και στο σχετικά νέο επιστημονικό πεδίο των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων έχουν γίνει πληθος μελετών που επικεντρώνονται σε θέματα του QoS, όπως η αύξηση του throughput (σημαντική σε εφαρμογές multimedia), η μείωση της καθυστέρησης πακέτου (μείζονος σημασίας σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου) κ.ά. Μια από τις σημαντικότερες κατηγορίες των τεχνικών βελτίωσης του QoS στα WSN συγκροτείται από μεθόδους μείωσης της κυκλοφορίας δεδομένων στο δίκτυο. Οι μέθοδοι αυτές χρησιμοποιούν διάφορους τρόπους για να πετύχουν τη χρυσή τομή ανάμεσα στη μείωση του μεγέθους των δεδομένων που ταξιδεύουν στο δίκτυο και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από αυτά. Για να μειωθεί το μέγεθος των δεδομένων που διακινούνται ανάμεσα στους κόμβους του δικτύου θα πρέπει ένα μέρος τους να εξαλειφθεί. Η διαδικασία αυτή γίνεται συνήθως με τρεις βασικούς τρόπους που αναλύονται παρακάτω Συγκέντρωση πακέτων Κάθε πακέτο δεδομένων που μεταδίδεται από έναν δικτυακό κόμβο, πέρα από το «χρήσιμο» περιεχόμενό του, περιλαμβάνει και κάποια επιπλέον bytes, τα οποία συγκροτούν τον λεγόμενο header. O header περιλαμβάνει πληροφορίες που, ενώ συνήθως δεν σχετίζονται άμεσα με το περιεχόμενο του πακέτου, είναι απαραίτητες για τη λειτουργία του δικτύου. Τυπικά περιεχόμενα του header είναι οι διευθύνσεις των κόμβων αναχώρησης και προορισμού, το μήκος των δεδομένων που περιέχει το πακέτο, bit ισοτιμίας και bit ειδικού σκοπού. Μια αναπαράσταση του απλού header που χρησιμοποιήσαμε στην τεχνική μας παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.1. Από τη στιγμή που μια δικτυακή εφαρμογή καθορίζει μια μορφή για τον header που χρησιμοποιεί, η μορφή αυτή πρέπει να είναι παρούσα ανεξαρτήτως των περιεχομένων του πακέτου. Επιπλέον, ενώ τα περιεχόμενα

39

40 30 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN (aggregation functions) και αναλαμβάνουν να εντοπίσουν, να επιλέξουν και να επεξεργαστούν τα σωστά πακέτα, πετυχαίνοντας έναν συμβιβασμό μεταξύ ακρίβειας και απόδοσης. Χαρακτηριστική περίπτωση χρήση αντίστοιχων τεχνικών παρουσιάζεται κατά την παρακολούθηση της θερμοκρασίας ενός χώρου. Είναι δυνατόν να αυξηθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων αλλά και να καλυφθεί το ενδεχόμενο αστοχίας υλικού χρησιμοποιώντας πολλαπλούς αισθητήρες. Για την αποφυγή της κυκλοφορίας περιττών πακέτων στο δίκτυο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μια απλή συνάρτηση μέσου όρου που παράγει τη μέση θερμοκρασία μεταξύ των μετρήσεων. Η θερμοκρασία που προκύπτει μπορεί να συνεχίσει κανονικά την πορεία της προς τον κόμβο προορισμού όπως θα έκανε και μια μεμονωμένη μέτρηση. 2.5 Κατηγοριοποίηση μεθόδων διαχείρισης κίνησης Δεδομένων των περιορισμένων πόρων των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, οι τεχνικές που διαχειρίζονται τα πακέτα που μεταδίδονται και την κίνηση που προκύπτει βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος των ερευνητών. Αν και σε πρώτη φάση οι μέθοδοι που αναπτύσσονταν έκαναν απλώς μια επιπλέον δρομολόγηση των δεδομένων, οι τελευταίες εξελίξεις έχουν θέσει ως στόχο τη βελτίωση της αναπαράστασης και της σύνθεσης των δεδομένων. Έτσι, επιδιώκεται να επιτευχθεί καλύτερη ακρίβεια στα παραγόμενα αποτελέσματα, κρατώντας ταυτόχρονα την ποιότητα υπηρεσιών σε υψηλά επίπεδα. Θέλοντας να καταδείξουμε τις βασικές αρχές των εν λόγω μεθόδων και να παρουσιάσουμε χαρακτηριστικές υλοποιήσεις τους, παρουσιάζουμε στη συνέχεια μια γενική κατάταξή τους σε κατηγορίες που βασίζεται στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Έπειτα, προβαίνουμε σε σύγκριση διάφορων γνωστών τεχνικών, λαμβάνοντας υπ' όψη τους κοινούς στόχους τους. Αξίζει να αναφέρουμε εδώ ότι όλες οι διαδικασίες με τις οποίες α σχολούμαστε μπορούν να υλοποιηθούν σε ένα ή περισσότερα επίπεδα της επικοινωνιακής στοίβας, με τους σχεδιαστές να στοχεύουν σε πολυεπίπεδες προσεγγίσεις, καθώς αυτές προσφέρουν και τη μεγαλύτερη απόδοση [27] Με βάση τη συνάρτηση συγκέντρωσης Σχετικά με τη μείωση μεγέθους Το βασικότερο χαρακτηριστικό μιας συνάρτησης συγκέντρωσης είναι η επεξεργασία που εκτελεί στην είσοδό της και η μείωση του μεγέθους που προκύπτει στην έξοδο. Έτσι έ χουμε δύο βασικές κατηγορίες: Χωρίς μείωση μεγέθους

41 31 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN Οι τεχνικές αυτές δεν επεξεργάζονται τα πραγματικά δεδομένα της εφαρμογής, αλλά έχουν ως στόχο να αυξήσουν το μέγεθος του πακέτου, μειώνοντας ως αποτέλεσμα το κόστος (overhead) που προκαλείται από τους headers. Συνήθως σκοπός τους είναι να ενώσουν μικρά πακέτα σε μεγαλύτερα, αποφεύγοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας των πολλαπλών μεταδόσεων. Από την άλλη, έχουν αρνητικό αντίκτυπο στην καθυστέρηση πακέτου, αφού υπάρχει αναμονή για να συγκεντρωθούν περισσότερα πακέτα, αλλά και στις συγκρούσεις, καθώς οι κόμβοι απασχολούν το κανάλι για περισσότερο χρόνο για να στείλουν μεγαλύτερα πακέτα. Η επίδραση και των δύο αυτών προβλημάτων μπορεί να περιοριστεί με χρήση εξελιγμένων τεχνικών που θα αναφερθούν παρακάτω. Με μείωση μεγέθους Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι αλγόριθμοι που μειώνουν κατά ένα ποσοστό το μέγεθος των δεδομένων που μεταδίδονται κάνοντας χρήση ειδικών συναρτήσεων επεξεργασίας. Οι εν λόγω συναρτήσεις είναι τυπικά αρκετά πολύπλοκες, αφού πρέπει να διαχειριστούν δραστικά τους περιορισμούς της εφαρμογής, συμβιβάζοντας την ακρίβεια με την αποτελεσματικότητα της ελάττωσης μεγέθους. Παρά την αυξημένη τους απόδοση είναι εμφανής η εξάρτηση της λειτουργίας των τεχνικών αυτών από τη γνώση για το είδος και την αναπαράσταση των διακινούμενων δεδομένων, κάτι που δεν είναι πάντα εφικτό, οδηγώντας στη δημιουργία εναλλακτικών λύσεων Σχετικά με τον χρονισμό Το θέμα του συγχρονισμού αποτελεί κατά κανόνα σοβαρή παράμετρο των δικτυακών συστημάτων και ακόμα περισσότερο στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, όπου η πιστότητα των δεδομένων εξαρτάται κατά πολύ από τον χρόνο. Επιπλέον, στα WSN είναι σύνηθες το γεγονός της περιοδικής μετάδοσης δεδομένων, που δημιουργεί την ανάγκη για λεπτομερή σχεδιασμού των παραμέτρων χρονισμού, οι οποίες έχουν μεγάλο αντίκτυπο στον σχεδιασμό του πρωτοκόλλου δρομολόγησης. Στο πλαίσιο αυτό προκύπτει ο παρακάτω διαχωρισμός των συναρτήσεων συγκέντρωσης [28]: Απλή περιοδική συγκέντρωση: Κάθε κόμβος καθυστερεί τη μετάδοση των πακέτων για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα κατά το οποίο συγκεντρώνει τα πακέτα που λαμβάνει ή παράγει. Στο τέλος του διαστήματος αποστέλλει ένα ή περισσότερα συγκεντρωτικά πακέτα, τα οποία μπορεί να έχουν προκύψει από διαχωρισμό των εισερχόμενων πακέτων κατά ορισμένη παράμετρο, όπως γίνεται παραδείγματος χάρη στη δική μας υλοποίηση κατά προτεραιότητα. Τοπική συγκέντρωση: Στην περίπτωση αυτή ο κόμβος περιμένει μέχρι να λάβει ένα πακέτο από κάθε παιδί του στο δικτυακό δένδρο και στη συνέχεια ακολουθεί την παραπάνω διαδικασία. Για λόγους απόδοσης, ορίζεται και εδώ ένα χρονικό διάστημα ασφαλείας ώστε να καλυφθούν οι περιπτώσεις χαμένων πακέτων

42 32 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN ή απώλειας κόμβων, αλλά παρουσιάζεται σε κάθε περίπτωση η ανάγκη κάθε κόμβος να γνωρίζει τον αριθμό του παιδιών του. Προσαρμοσμένη τοπική συγκέντρωση: Συμβιβάζει τις δύο προηγούμενες κατηγορίες, χρησιμοποιώντας την έννοια της αναμονής για ένα διάστημα, το οποίο καθορίζεται όμως από τη σχετική θέση του κόμβου στο δίκτυο Σχετικά με την αντιμετώπιση των πακέτων Ο τρόπος με τον οποίο ένας αλγόριθμος δέχεται, κατηγοριοποιεί, επιλέγει και επεξεργάζεται τα πακέτα που λαμβάνει εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εκάστοτε εφαρμογή. Παρ όλα αυτά, κάποια κοινά χαρακτηριστικά μας επιτρέπουν να ταξινομήσουμε τις προτεινόμενες μεθόδους στις εξής κατηγορίες: Με ή χωρίς απώλειες (lossy ή lossless): Οι συναρτήσεις συγκέντρωσης μπορούν να συμπιέσουν το μέγεθος των πακέτων, είτε απορρίπτοντας κάποια από τα δεδομένα είτε όχι. Στην πρώτη περίπτωση τα αρχικά δεδομένα δεν μπορούν να α νακατασκευαστούν κατά την άφιξή τους στον προορισμό τους, αλλά ο τελικός αποδέκτης πρέπει να αρκεστεί στα συμπιεσμένα δεδομένα και στη μειωμένη α κρίβεια που μπορεί να παρέχουν. Από την άλλη, οι συναρτήσεις που δεν παράγουν απώλειες συνεχίζουν να μειώνουν το μέγεθος των δεδομένων που μεταδίδονται αλλά με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατή η απόλυτα όμοια ανακατασκευή τους στον προορισμό τους. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι πρώτες τεχνικές έχουν καλύτερη απόδοση στο ποσοστό συμπίεσης του μεγέθους, αλλά α παιτούν από τον δέκτη να προσαρμοστεί στην πιθανή μικρότερη ακρίβεια καθώς και στην αναπαράσταση δεδομένων που προκύπτει, ενώ οι δεύτερες δημιουργούν μια διαφανή διαδικασία, η οποία μπορεί να απομονωθεί σε ένα ξεχωριστό επίπεδο, προσφέροντας τη γενικά επιθυμητή αφαιρετικότητα. Με ή χωρίς ανίχνευση διπλότυπων: Λόγω της οργάνωσης του δικτύου οι ενδιάμεσοι κόμβοι στα WSN μπορεί να λάβουν πολλαπλά αντίτυπα όμοιων δεδομένων. Αυτό μπορεί να γίνει είτε συνηθέστερα λόγω πολλαπλών μονοπατιών από την πηγή στον προορισμό, είτε για λόγους λανθασμένης επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων. Οι συναρτήσεις συγκέντρωσης μπορούν να διαχωριστούν σε αυτές που επηρεάζονται από τα διπλότυπα πακέτα και θα πρέπει να αναπτύξουν τεχνικές ανίχνευσής τους και αυτές που είναι ανεξάρτητες του φαινομένου. Συχνές περιπτώσεις των εν λόγω συναρτήσεων είναι, από τη μία, οι συναρτήσεις μέσης τιμής, των οποίων αποτέλεσμα μεταβάλλεται κατά πολύ από επιπλέον όμοια πακέτα και, από την άλλη, αυτές που ενδιαφέρονται για τη μέγιστη τιμή ή την τιμή που ανήκει σε ένα ορισμένο διάστημα και δεν είναι επιρρεπείς στον αριθμό των τιμών.

43 33 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN Υβριδικές προσεγγίσεις Η ανεξαρτησία των πρώτων μεθόδων από τη συγκεκριμένη υλοποίηση παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας συνδυαστικών λύσεων που εφαρμόζουν τεχνικές χωρίς μείωση μεγέθους πάνω σε δεδομένα που έχουν προηγουμένως υποστεί μείωση. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατό περαιτέρω όφελος σε απόδοση χωρίς πρόσθετη μείωση της ακρίβειας. Είναι λοιπόν όλο και περισσότερο συνηθισμένες οι υλοποιήσεις που συνδυάζουν μια γενικευμένη και μια εξειδικευμένη μέθοδο μείωσης, επιτυγχάνοντας πολύ καλά α ποτελέσματα Με βάση την τοπολογία Οι αλγόριθμοι της κατηγορίας αυτής βασίζουν τη λειτουργία τους στην οργάνωση των κόμβων στον χώρο, την οποία εκμεταλλεύονται για να δημιουργήσουν ευνοϊκότερες συνθήκες λειτουργίας. Όπως είναι φυσικό, για να εξασφαλιστεί η απόδοση των τεχνικών αυτών χρειάζεται αρκετή επιπλέον υπολογιστική ισχύς, καθώς τα προβλήματα μονοπατιών έχουν συνήθως πολυπλοκότητα εκθετικής τάξης Με χρήση του δικτυακού δένδρου Η λειτουργία τους χρησιμοποιεί την ιεραρχική δενδροειδή οργάνωση των κόμβων και πραγματοποιεί απλές τεχνικές συγκέντρωσης και σύμπτυξης πακέτων τα οποία πρόκειται να ακολουθήσουν κοινό μονοπάτι. Η διαδικασία της σύμπτυξης γίνεται συνήθως σε επιλεγμένους κόμβους, οι οποίοι ορίζονται με διάφορα κριτήρια όπως η σχετική τους θέση στο δίκτυο, η επεξεργαστική τους ισχύς, η ενέργεια που τους απομένει κ.α. Μειονέκτημα των συγκεκριμένων μεθόδων αποτελεί η ανάγκη για δημιουργία και περιοδική ανανέωση μιας αναπαράστασης της δομής του δικτύου. Η αναπαράσταση αυτή συνήθως δημιουργείται από τον κόμβο που συγκεντρώνει τα δεδομένα (sink), στέλνοντας ειδικά πακέτα στους γειτονικούς του κόμβους, οι οποίοι τα προωθούν στους επόμενους κ.ο.κ. Κάθε κόμβος προσθέτει στο πακέτο που δέχεται πληροφορία για τη θέση του μέσα στη δομή του δικτύου σε σχέση με τον κόμβο από τον οποίο έλαβε το πακέτο. Αφού τα πακέτα αυτά ταξιδέψουν σε όλο το δίκτυο και επιστρέψουν στον sink, επιτρέπουν τη δημιουργία ενός δένδρου που αναπαριστά το δίκτυο. Η διαδικασία αυτή μπορεί να παρουσιάσει προβλήματα σε πραγματικά ασύρματα δίκτυα αισθητήρων λόγω της περιορισμένης αξιοπιστίας που παρουσιάζουν τα δίκτυα αυτά σε σχέση με την επιτυχή παράδοση των πακέτων. Δύο από τα κυριότερα προβλήματα που μπορεί να παρουσιαστούν είναι η ανεπιτυχής διακίνηση των ειδικών πακέτων και η μη αναμενόμενη αποτυχία ενός ή περισσότερων κόμβων του δικτύου, καθιστώντας το υπολογισμένο δένδρο λανθασμένο. Επιπλέον, τυπικές υλοποιήσεις WSN περιλαμβάνουν εκατοντάδες έως χιλιάδες κόμβους, οι οποίοι δημιουργούν συνδυασμούς μονοπατιών εκθετικά μεγαλύτερης τάξης. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη δημιουργία και διατήρηση

44 34 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN της δομικής αναπαράστασης του δικτύου απαιτούνται μεγάλες ποσότητες αποθηκευτικού χώρου και υπολογιστικής ισχύος. Παρ' όλα αυτά, έχουν γίνει πολλές μελέτες σχετικές με τη συγκεκριμένη κατηγορία τεχνικών, με βάση τις οποίες οι τεχνικές αυτές βελτιώνουν κατά πολύ την κατανάλωση ε νέργειας σε WSN με υψηλή κίνηση, επιλέγοντας τους κόμβους στους οποίους γίνεται συγκέντρωση πακέτων και σχεδιάζοντας συναρτήσεις συγκέντρωσης με βέλτιστο τρόπο Με συμπλέγματα κόμβων Αποτελούν στην ουσία εξελιγμένες μεθόδους δένδρου, καθώς βασίζονται στην ίδια λογική. Εδώ όμως οι κόμβοι οργανώνονται σε συμπλέγματα (clusters) στα οποία καθορίζεται ένας ηγετικός κόμβος (cluster head). Οι απλοί motes προωθούν τα πακέτα τους ανεμπόδιστα στους cluster heads, οι οποίοι αναλαμβάνουν το καθήκον της επεξεργασίας, συγχώνευσης και προώθησης των πακέτων, αλλά και της συντήρησης της αναπαράστασης της δομής του cluster. Με λίγα λόγια, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν συμπλέγματα κατανέμουν τη βαριά υπολογιστική εργασία της δομικής αναπαράστασης σε περισσότερους του ενός κόμβου, σε αντίθεση με τις απλές μεθόδους δένδρου. Η προσέγγιση αυτή κατανέμει καλύτερα το βάρος υπολογισμού και αποθήκευσης και ταυτόχρονα μειώνει την πιθανότητα εμφάνισης single point of failure, αφού σε περίπτωση λάθους στην αναπαράσταση ή βλάβης ενός cluster head θα μεταβεί εκτός δικτύου μόνο ένα σύμπλεγμα του δικτύου Με πολλαπλά μονοπάτια Η εύρυθμη λειτουργία των προηγούμενων τεχνικών εξαρτάται από έναν κόμβο ή ένα μικρό ποσοστό κόμβων του δικτύου και από τη σωστή απεικόνιση της οργάνωσης του δικτύου. Όπως είναι φυσικό, οι περιορισμοί αυτοί μειώνουν την αξιοπιστία του δικτύου, καθώς δημιουργούν πολλές πιθανότητες καθυστέρησης ή και κατάρρευσης. Ένας από τους κυρίαρχους τρόπους να διευθετηθούν τα προβλήματα αυτά είναι η δημιουργία και χρήση πρωτοκόλλων και τεχνικών που υποστηρίζουν πολλαπλά επικοινωνιακά μονοπάτια. Οι εν λόγω τεχνικές εκμεταλλεύονται τον ένας προς πολλούς (broadcast) τρόπο επικοινωνίας του ασύρματου μέσου, που έχει ως αποτέλεσμα όλοι οι κόμβοι να λαμβάνουν όλα τα μηνύματα που αποστέλλουν οι γείτονές τους ανεξαρτήτως του προορισμού των πακέτων. Με τον τρόπο αυτό, ένα πακέτο μπορεί να φτάσει στον προορισμό του μέσω πολλαπλών μονοπατιών, δημιουργώντας από τη μία πιο στιβαρές συνθήκες λειτουργίας, αλλά προσθέτοντας από την άλλη αυξημένη κίνηση στο δίκτυο, καθώς κάποια πακέτα μεταδίδονται περισσότερες από μία φορές. Το γεγονός της πολλαπλής μετάδοσης της ίδιας πληροφορίας, πέρα από την αύξηση του φόρτου, δημιουργεί την ανάγκη προσαρμογής του τρόπου ερμηνείας της πληροφορίας

45 35 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN που συγκεντρώνεται. Ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή, η λήψη της ίδιας μέτρησης πολλαπλές φορές μπορεί να δημιουργήσει σοβαρά προβλήματα στα συμπεράσματα που εξάγονται και γι αυτό πρέπει σε αυτή την περίπτωση οι aggregation functions να λαμβάνουν τα αναγκαία μέτρα. Για παράδειγμα, σε μια εφαρμογή που υπολογίζει τη μέση θερμοκρασία ενός χώρου ο αντίκτυπος των διπλών πακέτων μπορεί να είναι σημαντικός. Αντίθετα, στις περιπτώσεις σημάτων συναγερμού, η σημασία των διπλότυπων τιμών είναι μηδαμινή Υβριδικές Με σκοπό την εκμετάλλευση των πλεονεκτημάτων όλων των προαναφερθέντων κατηγοριών, είναι δυνατόν να αναπτυχθούν μέθοδοι που προσαρμόζονται δυναμικά στην κίνηση του δικτύου και ρυθμίζουν ανάλογα τη δράση τους. Η προσαρμογή αυτή όμως δημιουργεί επιπλέον πολυπλοκότητα και για το λόγο αυτό σχετικές μελέτες βρίσκονται σε πολύ αρχικό στάδιο. Μια από τις πιο ολοκληρωμένες υλοποιήσεις είναι η «Tributaries and Deltas» [29], στην οποία προτείνεται η χρήση μεθόδων δένδρου και πολλαπλού μονοπατιού ταυτόχρονα σε διαφορετικά σημεία του δικτύου. Η βασική ιδέα είναι ότι σε περιπτώσεις μικρού packet loss έχει αποδειχθεί ότι οι προσεγγίσεις δένδρου αποδίδουν πολύ καλά, καθώς επιτρέπουν στους κόμβους να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και συμπιέζουν αρκετά τη δικτυακή κίνηση. Από την άλλη, σε καταστάσεις υψηλού ρυθμού απώλειας πακέτων είναι περισσότερο επιθυμητή η στιβαρότητα που προσφέρουν τα πολλαπλά μονοπάτια. Για το λόγο αυτό η μέθοδος Τ&D χωρίζει το δίκτυο σε περιοχές ανάλογα με το packet loss και εφαρμόζει τον βέλτιστο αλγόριθμο συγκέντρωσης ανά περιοχή. 2.6 Χαρακτηριστικές τεχνικές και πρωτόκολλα συγκέντρωσης TAG & Directed Diffusion Ο αλγόριθμός Tiny AGgregation Service (TAG) [30] αποτελεί ίσως την πιο διαδεδομένη τεχνική συγκέντρωσης πακέτων σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Βασίζεται σε μια δενδροειδή αναπαράσταση του δικτύου με ρίζα τον κόμβο προορισμού (sink) και λειτουργεί σε γύρους δύο φάσεων που διαδέχονται η μία την άλλη: Φάση οργάνωσης και κατανομής Αρχικά ο κόμβος sink αποστέλλει ένα μήνυμα ελέγχου σε όλους τους κόμβους που βρίσκονται στην εμβέλειά του. Το πακέτο αυτό περιλαμβάνει ένα πεδίο το οποίο αντιπροσωπεύει το επίπεδο που βρίσκεται ο συγκεκριμένος κόμβος (βήματα από τον sink). Κάθε κόμβος που λαμβάνει το πακέτο αυτό και δεν ανήκει σε ένα επίπεδο θεωρεί ότι βρίσκεται σε αυτό που ορίζεται από το πακέτο και ότι ο γονικός κόμβος του είναι αυτός που του έστειλε το πακέτο. Στη συνέχεια και α φού το πεδίο επιπέδου έχει ενημερωθεί, το πακέτο προωθείται στους γείτονες

46 36 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN του κόμβου κ.ο.κ. ώσπου όλοι ο κόμβοι να οργανωθούν σε επίπεδα. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια αναπαράσταση του δικτύου, η οποία ανανεώνεται περιοδικά ώστε να είναι ενημερωμένη για αλλαγές στο δίκτυο. Αφού ολοκληρωθεί η δόμηση του δένδρου ο κόμβος ρίζα διακινεί στο δίκτυο με τον ίδιο τρόπο κάποια ερωτήματα (queries) σε μορφή που μοιάζει με αυτή της SQL και τα οποία ορίζουν τις παραμέτρους με τις οποίες θα πραγματοποιηθεί η συγκέντρωση των πακέτων: τη συνάρτηση συγκέντρωσης, τις ποσότητες που αυτή επεξεργάζεται, τους κόμβους που συμμετέχουν, καθώς και το χρονικό διάστημα που πρέπει να μεσολαβεί ανάμεσα σε κάθε αποστολή πακέτου (epoch). Φάση συλλογής Στην διάρκεια αυτής της φάσης κάθε κόμβος αποστέλλει τα πακέτα του στον γονικό του κόμβο ο οποίος περιμένει για κάποιο χρονικό διάστημα απάντηση από όλα τα παιδιά του και στη συνέχεια πραγματοποιεί τις απαραίτητες διαδικασίες για τη συγχώνευση δεδομένων. Για να βελτιστοποιηθεί η διαδικασία το epoch χωρίζεται σε τόσα ίσα μέρη όσο είναι και το βάθος του δικτυακού δένδρου. Σε καθένα από τα τμήματα αυτά ένας από τους κόμβους μεταδίδει τα πακέτα του και έπειτα εισέρχεται σε κατάσταση αναμονής. Έτσι, επιτυγχάνεται μια σχεδόν ιδανική κατάσταση, κατά την οποία οι κόμβοι βγαίνουν από την κατάσταση χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας μόνο κατά το διάστημα στο οποίο μεταδίδουν οι λαμβάνουν πακέτα. Όπως φαίνεται, παρά τα οφέλη που έχει η παραπάνω μέθοδος σε σχέση με τη μείωση της κίνησης και την κατανάλωση ενέργειας, εισάγει ορισμένα σημαντικά προβλήματα. Το πρώτο συνίσταται στη δυσκολία λειτουργίας σε δίκτυα τα οποία μεταβάλλονται δυναμικά ή είναι επιρρεπή σε αστοχίες υλικού και καναλιού, α φού στις περιπτώσεις αυτές η δομική αναπαράσταση του δικτύου θα πρέπει να είναι τόσο συχνή που καθίσταται ασύμφορη τόσο ενεργειακά όσο και σε επίπεδο βέλτιστης χρήσης του εύρους ζώνης. Επιπλέον, οι αυξημένες αρμοδιότητες που δίνονται στον κόμβο ρίζα δημιουργούν ένα σημείο του δικτύου το οποίο μπορεί να επιφέρει σοβαρά προβλήματα στη λειτουργία του συστήματος σε περίπτωση αστοχίας του. Από την άλλη, η κεντρικοποιημένη λειτουργία του πρωτοκόλλου δίνει τη δυνατότητα εύκολης μεταβολής των παραμέτρων συγκέντρωσης που α ναφέρθηκαν νωρίτερα, καθιστώντας το ιδανικό για υλοποιήσεις στις οποίες είναι αναγκαία η προσαρμογή τους στις συνθήκες επικοινωνίας και κίνησης.

47 37 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN Εικόνα 2.2: Παράδειγμα υλοποίησης με χρήση του TAG [30] Με αντίστοιχο τρόπο λειτουργεί και το πρωτόκολλο του Directed Diffusion [31], στο ο ποίο όμως τα μονοπάτια δρομολόγησης δημιουργούνται σε μια ξεχωριστή φάση και με τρόπο αντίστροφο του TAG. Στη φάση αυτή, που ονομάζεται gradient setup, ο κόμβος sink μεταδίδει ένα μήνυμα που δηλώνει το ενδιαφέρον του να συλλέξει πληροφορίες. Το μήνυμα αυτό προωθείται από κάθε κόμβο προς τους γείτονές του ώσπου να φτάσει στα φύλλα του δικτυακού δένδρου. Με τη λήψη του εν λόγω σήματος κάθε σταθμός καταγράφει τους αποστολείς του σήματος ως πιθανούς ενδιάμεσους προορισμούς των πακέτων του. Στη συνέχεια κατά τη φάση της συλλογής δεδομένων επιλέγεται προς χρήση ένα και μόνο μονοπάτι ανάμεσα στις διαφορετικές εναλλακτικές και τα πακέτα ακολουθούν αυτό. Το επιλεγμένο μονοπάτι καθορίζεται από διάφορα κριτήρια σχετικά είτε με τους κόμβους που το απαρτίζουν είτε με τον στόχο της συγκεκριμένου γύρου συλλογής δεδομένων και κατά συνέπεια μπορεί να μεταβληθεί από γύρο σε γύρο. Ένα σχηματικό παράδειγμα της λειτουργίας των φάσεων του Directed Diffusion παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.3. Εικόνα 2.3: Οι φάσεις του Directed Diffusion: (a) διάδοση ενδιαφέροντος (b) δημιουργία μονοπατιών (c) συλλογή δεδομένων [31]

48 38 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN DB MAC Με στόχο την περαιτέρω αύξηση της απόδοσης των πρωτοκόλλων συγχώνευσης κρίνεται πολλές φορές σκόπιμος ο σχεδιασμός σε περισσότερα του ενός επιπέδου της δικτυακής στοίβας. Την ανάγκη αυτή εξυπηρετεί και το πρωτόκολλο πρόσβασης μέσου Delay Bounded Medium Access Control (DB MAC) [32], που λειτουργεί στα επίπεδα σύνδεσης και δικτύου και συγκεκριμένα ρυθμίζοντας τη δρομολόγηση (routing) και την πρόσβαση μέσου (MAC). Η βασική αρχή του εν λόγω πρωτοκόλλου βρίσκεται στη δυναμική επιλογή των μονοπατιών που ακολουθούν τα πακέτα από τη δημιουργία τους στον προορισμό του, με βάση και πάλι τη δενδροειδή δομή του δικτύου. Το DB MAC εκμεταλλεύεται τον τρόπο λειτουργίας του πολύ κοινού πρωτοκόλλου CSMA/CA MAC [33], που χρησιμοποιεί τον μηχανισμό «χειραψίας» RTS/CTS/DATA/ACK. Με βάση τον μηχανισμό αυτό, όταν ένας κόμβος θέλει να μεταδώσει αποστέλλει ένα μήνυμα request to send (RTS) στον αποδέκτη, ο οποίος, αν δύναται να συμμετάσχει στη συγκεκριμένη επικοινωνιακή σύνδεση, απαντά με ένα μήνυμα clear to send (CTS). Στην περίπτωση που ο κόμβος εκκίνησης λάβει το πακέτο CTS ξεκινά τη μετάδοση των δεδομένων του, έχοντας αποκλειστική πρόσβαση στη συγκεκριμένη σύνδεση, η οποία λήγει όταν αποσταλούν όλα τα δεδομένα και ο κόμβος προορισμού απαντήσει με acknowledgment (ACK). Το DB MAC εκμεταλλεύεται την παραπάνω διαδικασία ρυθμίζοντας κόμβους ώστε να παρακολουθούν τα πακέτα CTS όλων των γειτονικών σταθμών. Με τον τρόπο αυτό δίνεται δυνατότητα σε κάθε κόμβο να γνωρίζει ποιοι από τους γειτονικούς τους motes έχουν ήδη λάβει πακέτα προς προώθηση και να προσαρμόζει ανάλογα την επιλογή του επόμενου σταθμού για τα εξερχόμενα πακέτα του. Επιπλέον, κάνοντας χρήση διαφορετικών προτεραιοτήτων για κάθε κόμβο ή τύπο πακέτου το DB MAC προσαρμόζει τον χρόνο α ναμονής (backoff) που εφαρμόζεται σε περίπτωση σύγκρουσης κατά τη μετάδοση. Ένα απλό παράδειγμα της διαδικασίας παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.4. Στα πακέτα που παράγονται ή ξεκινούν από τους κόμβους Α και C δίνεται η προτεραιότητα 13 και 12 (σημειώνεται σε παρένθεση). Για το σκοπό του παραδείγματος θεωρούμε ότι και οι δύο κόμβοι A και C έχουν ένα πακέτο έτοιμο προς αποστολή και ότι και οι τέσσερις κόμβοι μπορούν να επικοινωνήσουν απευθείας μεταξύ τους. Λόγω μεγαλύτερης προτεραιότητας ο κόμβος Α απασχολεί πρώτος το κανάλι, επικοινωνώντας με ένα μήνυμα RTS με τον R1, ο οποίος απαντά με τη σειρά του με ένα CTS. Το μήνυμα αυτό έχει ως βασικό αποδέκτη τον Α, ο οποίος λαμβάνοντας το μεταδίδει το πακέτο του, αλλά μπορεί να ληφθεί και από τους υπόλοιπους κόμβους που βρίσκονται εντός εμβέλειας του R1. Πράγματι, ο C βλέποντας την επικοινωνία μεταξύ των A και R1 συμπεραίνει ότι ο R1 έχει ήδη ένα πακέτο προς προώθηση (προερχόμενο από τον Α) και έτσι όταν έρθει η σειρά του για μετά

49 39 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN δοση επιλέγει να επικοινωνήσει με τον R1 αντί του R2. Παρόμοια διαδικασία θα εμφανιζόταν και στην περίπτωση που ο κόμβος A επικοινωνούσε πρώτα με τον R2. Όταν δεν έχει ανιχνευθεί κάποιο μήνυμα CTS καθένας από τους κόμβους επιλέγει τον επόμενο σταθμό με διάφορα πιο πολύπλοκα κριτήρια όπως η απόσταση μεταξύ αυτού και του επόμενου κόμβου, η ενέργεια που απομένει στον πιθανό επόμενο κόμβο ή ακόμα και ο βαθμός συμφόρησης που παρατηρείται σε αυτόν. Παρουσιάζεται λοιπόν δυνατότητα προσαρμογής του πρωτοκόλλου στα ειδικά χαρακτηριστικά της εφαρμογής όπως για παράδειγμα σε ανομοιογενή δίκτυα που χρησιμοποιούν περισσότερους από έναν τύπο κόμβων, οι οποίοι μπορεί να έχουν διαφορετικούς πόρους στη διάθεσή τους. Επιπρόσθετα, αντιμετωπίζονται τα προβλήματα της προηγούμενης τεχνικής καθώς το DB MAC λειτουργεί με κατανεμημένο τρόπο και δεν παρουσιάζεται ανάγκη γνώσης της δομής του δικτύου, ούτε δημιουργούνται σταθμοί που ελέγχουν ολόκληρο ή μέρος του WSN. Εικόνα 2.4: Λειτουργία μονοπατιών συγκέντρωσης στο DB MAC [32] LEACH & Cougar Περνώντας στις τεχνικές που χρησιμοποιούν συμπλέγματα κόμβων, εξετάζουμε μια από τις κυρίαρχες μεθόδους της κατηγορίας που καλείται Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) [34]. Και αυτή η μέθοδος διακρίνει τη λειτουργία της σε δύο διαδοχικές φάσεις που επαναλαμβάνονται και κατά τις οποίες οι κόμβοι οργανώνονται σε συμπλέγματα και στη συνέχεια προωθούν όλα τους τα πακέτα σε αυτούς που ορίζονται ως αρχηγοί ή κεφαλές του συμπλέγματος. Για να κατανεμηθεί ισότιμα ο φόρτος εργασίας σε όλους τους κόμβους του δικτύου, οι δύο φάσεις λειτουργίας πραγματοποιούνται σε διαδοχικούς γύρους κατά τους οποίους αλλάζουν οι κεφαλές των συμπλεγμάτων. Στην πρώτη φάση φάση οργάνωσης κάθε κόμβος θεωρεί τον εαυτό του ως κεφαλή του συμπλέγματος με πιθανότητα T που ορίζεται από την εξίσωση:

50 40 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN P αν n G Τ 1 P Rmod 1 P 0 αλλιώς όπου P το επιθυμητό ποσοστό κεφαλών στο δίκτυο, R ο αύξων αριθμός του γύρου, n ο κόμβος και G το σύνολο των κόμβων που δεν λειτούργησαν ως κεφαλές στους τελευταίους 1/P γύρους. Από τη στιγμή που ένας mote θεωρήσει τον εαυτό του ως κεφαλή ενημερώνει τους γείτονές του με χρήση CSMA και αυτοί αποφασίζουν σε ποιο σύμπλεγμα θα συμμετάσχουν με βάση την ισχύ του σήματος που δέχονται από τις κεφαλές. Έπειτα, κάθε κεφαλή, γνωρίζοντας τον αριθμό συμμετεχόντων του συμπλέγματος, προγραμματίζει μια διαδικασία TDMA για την τοπική επικοινωνία ώστε να εξαλειφθούν οι συγκρούσεις, με θετικό αντίκτυπο στην καθυστέρηση και την κατανάλωση ενέργειας. Στη συνέχεια ακολουθεί η δεύτερη φάση λειτουργίας κατά την οποία τα πακέτα των nodes προωθούνται στις αντίστοιχες κεφαλές με βάση το καθορισμένο πρόγραμμα TDMA. Μετά τη λήψη και του τελευταίου πακέτου, οι κεφαλές προωθούν τα δεδομένα που έχουν συγκεντρώσει κατευθείαν στον sink με σύνδεση ενός βήματος (single hop), αναγκάζοντας τυχόν κεφαλές που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση από αυτόν να αυξήσουν την ισχύ εκπομπής τους. Παρά την αυξημένη απόδοση του LEACH τόσο από ενεργειακής απόψεως όσο και από την άποψη της καθυστέρησης, η μέθοδος παρουσιάζει ορισμένα βασικά μειονεκτήματα. Αρχικά, παρότι η χρήση του TDMA παρέχει τη δυνατότητα απενεργοποίησης των κόμβων (εκτός των κεφαλών) για τα διαστήματα κατά τα οποία δεν έχουν δικαίωμα επικοινωνίας, η απαίτηση για απευθείας σύνδεση των κεφαλών με τον sink αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας. Ιδίως σε περιπτώσεις δυναμικών δικτύων μια κεφαλή μπορεί κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της να απομακρυνθεί ξαφνικά από τον σταθμό προορισμού, έχοντας ως αποτέλεσμα την μεγάλη αύξηση της ισχύος εκπομπής. Επιπλέον, αυξανομένων των αλλαγών στη δομή του δικτύου αυξάνεται και ο όγκος μηνυμάτων ελέγχου που πρέπει να κυκλοφορήσουν σε αυτό, επηρεάζοντας άμεσα την απόδοση του συστήματος.

51 41 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN Εικόνα 2.5: Τυπική υλοποίηση συμπλεγμάτων με την μέθοδο LEACH [27] Στην ίδια λογική κινείται και η προσέγγιση με τον αλγόριθμο Cougar [35], ο οποίος λειτουργεί παρόμοια με τον LEACH, μεταβάλλοντας μόνο τον τρόπο εκλογής των κεφαλών των συμπλεγμάτων. Για την ακρίβεια, αντί να βασίζεται μόνο στην ισχύ του σήματος, ο Cougar χρησιμοποιεί πιο εξελιγμένους τρόπους επιλογής που δίνουν τη δυνατότητα οι κόμβοι κάθε συμπλέγματος να απέχουν περισσότερα του ενός hop από την αντίστοιχη κεφαλή. Για τη επίτευξη μια τέτοιας αρχιτεκτονικής γίνεται χρήση του πρωτοκόλλου δρομολόγησης AODV [36], το οποίο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για δυναμικά δίκτυα και μάλιστα προσφέρει το πρόσθετο πλεονέκτημα της αποφυγής προώθησης διπλότυπων τιμών στο δίκτυο Synopsis Diffusion Με στόχο τη βελτίωση της κατανομής του φορτίου αλλά και την αύξηση της στιβαρότητας του δικτύου, δημιουργήθηκε η διαδικασία του Synopsis Diffusion [36]. Όπως και στην περίπτωση του Directed Diffusion παρατηρούμε δύο φάσεις, κατά τις οποίες αρχικά μεταδίδονται ερωτήματα στο δίκτυο και σε δεύτερη φάση γίνεται η συλλογή των δεδομένων. Κατά την πρώτη φάση το δίκτυο οργανώνεται σε νοητούς ομόκεντρους δακτυλίους γύρω από τον sink mote, στους οποίους οι κόμβοι κατανέμονται με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο απλούστερος τρόπος κατανομής βασίζεται στα βήματα (hops) κάθε κόμβου σε σχέση με τον sink. Όπως είναι βέβαια κατανοητό, η συγκεκριμένη στρατηγική δημιουργεί προβλήματα σε δυναμικές υλοποιήσεις, γι αυτό και προτιμάται η προσαρμοσμένη κατανομή των κόμβων. Στην περίπτωση αυτή σε κάθε συγχωνευμένο πακέτο εισάγονται και οι ταυτότητες των κόμβων από τους οποίους προέρχονταν τα μεμονωμένα

52 42 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN πακέτα που περιέχονται σε αυτό. Έτσι, δίνεται δυνατότητα στους motes να παρακολουθούν πόσα από τα πακέτα τους συμμετέχουν στην τελική επιλογή για συγχώνευση και να προσαρμόζουν ανάλογα τον δακτύλιο στον οποίο ανήκουν. Με την εκκίνηση της δεύτερης φάσης, οι κόμβοι αποστέλλουν τα δεδομένα τους σε ό λους τους εντός εμβέλειας κόμβους του επόμενου (προς τον προορισμό) δακτυλίου από αυτόν στον οποίο ανήκουν. Για να υπάρξει αρκετός χρόνος για συγχώνευση η φάση αυτή διαχωρίζεται σε χρονικά διαστήματα (epochs), κατά τα οποία η επικοινωνία γίνεται με πρωτόκολλο TDMA. Στη γενική περίπτωση δημιουργούνται πολλαπλά μονοπάτια από την αφετηρία στον προορισμό κάθε πακέτου, αφού στην εμβέλεια κάθε κόμβου υπάρχουν περισσότεροι του ενός γειτονικοί. Όπως είναι φυσικό, με τη χρήση πολλαπλών μονοπατιών ανακύπτει και το πρόβλημα των διπλότυπων δεδομένων, το οποίο για να αντιμετωπιστεί πρέπει να προσαρμοστούν ανάλογα οι συναρτήσεις συγχώνευσης και οι αναπαραστάσεις των δεδομένων [36]. Έτσι, το Synopsis Diffusion ενδείκνυται κυρίως για δίκτυα τα οποία είναι πολύ επιρρεπή σε απώλειες πακέτων λόγω διακοπής της επικοινωνίας, καθώς με τη χρήση του αυξάνεται η πιθανότητα ύπαρξης εναλλακτικής διαδρομής. Εικόνα 2.6: Παραδείγματα χρήσης του Synopsis Diffusion [27] Tributaries and Deltas Όπως προαναφέρθηκε, το πρωτόκολλο Tributaries and Deltas [29] προσπαθεί να συγκεράσει τα θετικά χαρακτηριστικά των μεθόδων δένδρου και πολλαπλών μονοπατιών, δη

53 43 Κεφάλαιο 2: Βελτίωση της ποιότητας των WSN μιουργώντας την υποδομή για την χρήση και των δύο τύπων συγχώνευσης στο ίδιο σύστημα. Συγκεκριμένα, θεωρεί ότι σε περιπτώσεις (ή περιοχές) με μικρή απώλεια πακέτων, τα πρωτόκολλα δένδρου προσφέρουν καλύτερη απόδοση, αφού επιτρέπουν στους κόμβους να μπαίνουν συχνότερα σε κατάσταση αναμονής και προσφέρουν μεγάλη συμπίεση των δεδομένων. Αντίθετα, σε περιοχές του δικτύου στις οποίες παρατηρείται μεγάλος ρυθμός απώλειας για παράδειγμα λόγω ασταθούς επικοινωνίας μια προσέγγιση πολλαπλών μονοπατιών θα μπορούσε να προσφέρει την απαραίτητη στιβαρότητα. Με στόχο την παραπάνω υλοποίηση, οι κόμβοι του συστήματος χωρίζονται σε περιοχές που εφαρμόζουν την αντίστοιχη τεχνική και θεωρείται ότι ανήκουν σε δύο υποσύνολα Μ και Τ, όπου τα μέλη του Μ λειτουργούν με πολλαπλά μονοπάτια και οι αντίστοιχοι του Τ με δένδρα. Όπως είναι βέβαια κατανοητό, ο τρόπος με τον οποίο διαχωρίζονται οι περιοχές πρέπει να τηρεί τους εξής κανόνες [27]: Δεν επιτρέπεται σε καμία περίπτωση να μεταδοθεί ένα αποτέλεσμα συγχώνευσης από ένα κόμβο που ανήκει στο M σε έναν κόμβο που ανήκει στο Τ. Τα αποτελέσματα αυτά πρέπει να κυκλοφορούν μόνο ανάμεσα στους σταθμούς που λειτουργούν με λογική multipath (edge correctness). Ο κόμβος προορισμού sink πρέπει να ανήκει υποχρεωτικά στο σύνολο Μ, του οποίου οι κόμβοι τροφοδοτούνται από άλλους του συνόλου Τ. Για να ικανοποιηθεί ο δεύτερος κανόνας, κατά τη λειτουργία της Tributaries and Deltas θεωρείται μια περιοχή που ονομάζεται delta και στην οποία ανήκει ο sink και οι κόμβοι που τον περιβάλλουν. Η delta μπορεί να μεταβάλλεται δυναμικά ώστε να επεκτείνεται ή να συρρικνώνεται, αλλάζοντας τους κόμβους μέλη της αλλά όχι τον sink. Η επέκταση της delta έχει ως αποτέλεσμα περισσότεροι motes να χρησιμοποιούν προσεγγίσεις multipath και, κατά συνέπεια, προτιμάται σε περιπτώσεις που υπάρχει αυξημένος ρυθμός απώλειας πακέτων ή πολύ δυναμικό δίκτυο, ενώ αντίστοιχα η συρρίκνωσή της ενδείκνυται για κυρίως στατικά δίκτυα. Εικόνα 2.7: Οργάνωση δικτύου με την Tributaries and Deltas [29]

54 44 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής 3 Χαρακτηριστικά εφαρμογής 3.1 Περιγραφή σεναρίου Για τους λόγους που αναλύθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μια τεχνική αποφυγής συμφόρησης με βάση την προτεραιότητα των πακέτων που ονομάστηκε Priority Based Congestion Avoidance Technique, PB CAT. Προηγούμενες μέθοδοι που είχαν αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών με σκοπό την αντιμετώπιση της δικτυακής συμφόρησης ήταν οι PHAT [37] και SaRDaM [38]. Η τεχνική που αναπτύχθηκε, υλοποιήθηκε και αξιολογήθηκε, έχει ως στόχο τη βελτίωσης της απόδοσης του δικτύου ανεξαρτήτως εφαρμογής. Για τον λόγο αυτό ο σχεδιασμός τόσο της μεθόδου σε θεωρητικό επίπεδο όσο και του κώδικα που την υλοποιεί έγινε με σκοπό την αποφυγή περιορισμών λόγω συνθηκών εξαρτώμενων από την εφαρμογή. Ε πιπλέον, η υλοποίηση έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε η εφαρμογή της τεχνικής να είναι πλήρως διαφανής, προσφέροντας υψηλό επίπεδο αφαιρετικότητας ώστε να είναι δυνατή η εύκολη προσθήκη της σε υπάρχουσες τεχνικές ή η χρήση σε συνδυασμό με άλλες τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης. Με λίγα λόγια, η PB CAT μπορεί να αποτελέσει ένα επιπλέον επίπεδο ανάμεσα στην εφαρμογή και στο λειτουργικό σύστημα, το οποίο θα βελτιώνει τα χαρακτηριστικά του WSN χωρίς να επιδρά στα υπόλοιπα επίπεδα. Για τους σκοπούς της προσομοίωσης δημιουργήθηκε μια τυπική διάταξη ασύρματου δικτύου αισθητήρων και ορίστηκαν ορισμένες σταθερές και μεταβλητές παράμετροι έτσι ώστε να προσεγγιστούν σενάρια πραγματικής δικτυακής κίνησης και λειτουργίας, που θα περιγραφούν αναλυτικά στις επόμενες ενότητες. Η βάση του σεναρίου, όπως και στα περισσότερα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, είναι η εξής: κάθε δικτυακός κόμβος πέρα από τον ή τους sink παράγει περιοδικά πακέτα, τα οποία αντιπροσωπεύουν τις μετρήσεις των αισθητήρων που διαθέτει. Μετά τη δημιουργία τους τα πακέτα προωθούνται στον επόμενο ενδιάμεσο σταθμό τους, που ορίζεται από τον πίνακα δρομολόγησης του κόμβου. Ο πίνακας αυτός αντιστοιχίζει κάθε πιθανό τελικό προορισμό ενός πακέτου δεδομένων με τον επόμενο σταθμό στον οποίο πρέπει να προωθηθεί. Η αντιστοιχία αυτή δημιουργείται με βάση διάφορα κριτήρια και μπορεί να ανανεώνεται δυναμικά. Όλοι ο motes λειτουργούν σε τέσσερις βασικές καταστάσεις, οι οποίες εναλλάσσονται συνεχώς και περικλείουν τις ενέργειες με τις οποίες γίνεται η διαχείριση των γεγονότων που οδήγησαν στην εκάστοτε κατάσταση. Στις περισσότερες εφαρμογές η πλειονότητα των κόμβων διαχειρίζεται τις καταστάσεις με παρόμοιο τρόπο, αλλά ανάλογα με τα πρωτόκολλα που διέπουν τη λειτουργία του συστήματος υπάρχουν και κόμβοι που διαφο

55 45 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής ροποιούνται λόγω της θέσης ή της ιδιότητάς τους (για παράδειγμα οι κεφαλές των συμπλεγμάτων σε πρωτόκολλα clustering). Οι εν λόγω καταστάσεις καθώς και τα γεγονότα που τις συνδέουν παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1: Διάγραμμα καταστάσεων ενός WSN κόμβου [38] 3.2 Αρχές λειτουργίας Η μέθοδος που προτείνεται βασίζεται στο κέρδος που προσφέρουν στην απόδοση του δικτύου η αύξηση του μεγέθους των πακέτων και η προκύπτουσα μείωση του αριθμού των μεταδόσεων. Για να επιτευχθούν αυτά, τα πακέτα που έχουν κοινό προορισμό συγχωνεύονται και προωθούνται ως μεγαλύτερες οντότητες, οι οποίες επαναδιαχωρίζονται κατά τη λήψη τους. Με σκοπό να δοθεί δυνατότητα σε κάθε κόμβο να συγκεντρώσει ικανό αριθμό πακέτων προς σύμπτυξη όλα τα πακέτα που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια ενός προκαθορισμένου χρονικού διαστήματος τοποθετούνται σε μια ουρά με προκαθορισμένο μήκος. Με τη λήξη του διαστήματος αυτού ολόκληρη η ουρά συντίθεται σε ένα και μόνο πακέτο, το οποίο και αποστέλλεται στον προορισμό του. Η διαδικασία αυτή γίνεται δυνατή λόγω του τρόπου που είναι δομημένα τα μονοπάτια δρομολόγησης των πακέτων: αφού οι τελικοί προορισμοί είναι προαποφασισμένοι και ίδιοι για όλα τα πακέτα, τότε και ο επόμενος σταθμός (hop) των πακέτων που βρίσκονται σε έναν δεδομένο κόμβο είναι και αυτός ίδιος. Με λίγα λόγια, εκμεταλλευόμενοι τον κοινό προορισμό των πακέτων, τα μεταδίδουμε όλα μαζί αντί για το καθένα ξεχωριστά, επωφελούμενοι από τους τρόπους που συζητήθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια και θα παρουσιαστούν στην πράξη σε ε πόμενες ενότητες. Στην παρούσα εργασία προτείνουμε τον διαχωρισμό των πακέτων δεδομένων σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες (κλάσεις) ανάλογα με την προτεραιότητά τους, που ονομάζουμε αντίστοιχα High, Medium και Low Priority Packets (HPP, MPP, LPP). Επιπλέον, εισάγουμε ένα πεδίο σε κάθε πακέτο που αντιπροσωπεύει τον χρόνο λήξης κάθε πακέτου (expiration time) μετά την παρέλευση του οποίου τα περιεχόμενά του θεωρούνται αμφίβολα ως προς την ακρίβειά τους. Στην πλειονότητα των εφαρμογών WSN τα παραγό

56 46 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής μενα δεδομένα έχουν συγκεκριμένη προθεσμία λήψης, η οποία, αν δεν τηρηθεί, δεν ι κανοποιούνται οι περιορισμοί QoS. Συνεπώς, οι τεχνικές σύμπτυξης θα πρέπει να περιλαμβάνουν μηχανισμούς που αντιμετωπίζουν τη διαφοροποίηση στην προτεραιότητα και οι δύο παραπάνω δομές δίνουν αυτή τη δυνατότητα στην τεχνική μας. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η διαφοροποίηση και η αντίστοιχη αντιμετώπιση των πακέτων ανάλογα με την προτεραιότητά τους αποτελούν βασικά σημεία της PB CAT. Για τον λόγο αυτό δημιουργούνται τρεις διαφορετικές ουρές πακέτων σε κάθε κόμβο, οι ο ποίες δέχονται τα πακέτα κλάσης HPP, MPP και LPP αντίστοιχα, παρέχοντας τη δυνατότητα χρήσης διαφορετικού χρόνου καθυστέρησης της αποστολής με βάση την κλάση, αλλά και πλήρως διαφορετικής αντιμετώπισης κάποιων κλάσεων, όπως θα αναλυθεί πιο κάτω. Εκτός αυτού, η κατηγοριοποίηση των πακέτων μπορεί να προσφέρει πολλά σε μελλοντικές επεκτάσεις του αλγορίθμου, όπως π.χ. τη δυναμική αλλαγή της δρομολόγησης για συγκεκριμένες κλάσεις. Οι διαδικασίες που πραγματοποιούνται όταν ένας κόμβος παράγει ή λαμβάνει ένα πακέτο παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2: Βασικές λειτουργίες της PB CAT τεχνικής

57 47 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής Όταν ένα πακέτο είτε δημιουργείται είτε λαμβάνεται από έναν κόμβο, αυτός ελέγχει αν του επιτρέπεται να πραγματοποιήσει τη διαδικασία συγχώνευσης και, αν όχι, προωθεί αμέσως το πακέτο στον επόμενο προορισμό. Σε αντίθετη περίπτωση, ο αλγόριθμος υπολογίζει τον ελεύθερο χώρο στην ουρά που αντιστοιχεί στο πακέτο. Αν ο χώρος αυτός είναι επαρκής για να δεχθεί τα νέα δεδομένα, τότε αυτά προστίθενται στο τέλος της ουράς, αλλιώς η ουρά αποστέλλεται ως ένα πακέτο και στη συνέχεια αδειάζει για να δεχθεί τα δεδομένα αυτά. Έπειτα, η διαδικασία επαναλαμβάνεται για τα επόμενα πακέτα που θα παραχθούν ή θα παραληφθούν. Για να κρατηθεί διαφανής σε μηχανισμούς χαμηλότερου ή υψηλότερου επιπέδου, η PB CAT διαχωρίζει τα πακέτα που λαμβάνει σε μικρότερα, αν αυτά αποτελούνται από περισσότερα του ενός στοιχειώδη πακέτα και τα επεξεργάζεται ως μεμονωμένα. Με αυτό τον τρόπο, υπάρχει το επιπλέον πλεονέκτημα της λειτουργίας της τεχνικής ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες συγκεκριμένων εφαρμογών και δημιουργούμε την υποδομή για περαιτέρω ανάπτυξη της μεθόδου ώστε να διαχειρίζεται πακέτα μεταβλητού μήκους. Η επιλογή των συγκεκριμένων κόμβων που θα συμμετέχουν στην τεχνική επεξεργαζόμενοι τα πακέτα τους μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους μεταξύ των οποίων είναι και οι εξής: Συμμετοχή των κόμβων με βάση τη θέση τους στο δικτυακό δένδρο, επιλέγοντας όλους τους motes πλην των φύλλων του δένδρου και των sink, καθώς, όπως είναι κατανοητό, στους κόμβους φύλλα δεν δημιουργείται ιδιαίτερη συμφόρηση και κάθε ενέργεια σύμπτυξης θα δημιουργούσε ανώφελη καθυστέρηση. Ρύθμιση του συστήματος ώστε ένα ποσοστό των motes να παίρνουν μέρος στην τεχνική είτε με εκ των προτέρων επιλογή του ποσοστού είτε με συνεχή προσαρμογή στην κίνηση του δικτύου. Δυναμική επιλογή με βάση συγκεκριμένα χαρακτηριστικά κάθε κόμβου όπως ο χώρος που απομένει στους buffers, η εναπομένουσα ενέργεια κ.ά. Επιπρόσθετα και για να υπάρξει περαιτέρω κέρδος κυρίως στο επίπεδο της καθυστέρησης πακέτου, στον αλγόριθμο συμπεριλαμβάνονται και κάποιες πιο προηγμένες δομές διαχείρισης της ουράς. Αρχικά, παρακολουθείται η πληρότητα κάθε ουράς και, όταν ε ξαντληθεί ο ελεύθερος χώρος τους, αυτές αποστέλλονται αμέσως, ακόμη και αν δεν έχει λήξει το αντίστοιχο χρονικό διάστημα. Επίσης, σε περίπτωση που παρέλθει το χρονικό διάστημα για μια ουρά και υπάρχει ακόμα ελεύθερος χώρος σε αυτή, αυτός καλύπτεται από πακέτα της αμέσως επόμενης προτεραιότητας με αποτέλεσμα την πλήρη εκμετάλλευση μέγιστου μεγέθους πακέτου που έχει οριστεί. Τέλος, με μία παράμετρο υποστηρίζεται η απευθείας προώθηση των πακέτων υψηλής προτεραιότητας ώστε να εξυπηρετηθούν σενάρια στα οποία συμπεριλαμβάνονται πακέτα για τα οποία η καθυστέρηση είναι εξέχουσας σημασίας (π.χ. εφαρμογές multimedia).

58 48 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής Ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δοθεί στο γεγονός ότι στην περίπτωση που ένα πακέτο προέρχεται μόνο από μια ουρά, στο τμήμα δεδομένων του υπάρχουν μόνο τα δεδομένα των πακέτων που την απαρτίζουν χωρίς πληροφορίες κλάσης κ.λπ. Αντίθετα, όταν μέσα σε ένα πακέτο συμπεριλαμβάνονται και άλλες ουρές (λόγω ελεύθερου χώρου) το τμήμα δεδομένων μπορεί να περιέχει και άλλες πληροφορίες. Παρ όλα αυτά η συγκεκριμένη ιδιαιτερότητα αντιμετωπίζεται από την τεχνική μας με διαφανή τρόπο χωρίς να απαιτούνται ιδιαίτεροι χειρισμοί από την πλευρά της εφαρμογής. 3.3 Τεχνολογία υλοποίησης Για την ανάπτυξη του αλγορίθμου της PB CAT χρησιμοποιήσαμε το λειτουργικό σύστημα Contiki OS [39]. To Contiki είναι ένα ελεύθερα διαθέσιμο λογισμικό γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού C και αναπτύχθηκε αρχικά για ακαδημαϊκούς σκοπούς. Λόγω του ότι είναι ανοικτού κώδικα δίνει τη δυνατότητα στους ερευνητές και τους μηχανικούς συστημάτων να παραμετροποιούν κάθε πτυχή του ώστε να καλύπτει τους σκοπούς για τους οποίους το χρησιμοποιούν. Συγκεκριμένα, στην παρούσα εργασία μπορέσαμε εύκολα να ορίσουμε στοιχεία και παραμέτρους όλων των δικτυακών επιπέδων, καθώς και να επέμβουμε στον τρόπο με τον οποίο γίνεται η προετοιμασία, η αποστολή και η λήψη των πακέτων. Εκτός αυτού, το Contiki είναι ένα από τα πιο κοινά λειτουργικά συστήματα στον χώρο των δικτύων αισθητήρων και των ενσωματωμένων συστημάτων με πάνω από 10 χρόνια ενεργούς ανάπτυξης, αποτελώντας μια πολύ αξιόπιστη πλατφόρμα για την εργασία μας. Για τη διαχείριση της επικοινωνιακής λογικής βασιστήκαμε στην επικοινωνιακή στοίβα Rime που α ναπτύχθηκε εξ αρχής. Η προσομοίωση έγινε με τον Cooja simulator[40], που αποτελεί μέρος του Contiki OS και προσφέρει όλες τις απαραίτητες υποδομές για την πλήρη αξιολόγηση του δικτύου και την μέτρηση των παραμέτρων του. Χρησιμοποιήσαμε εικονικούς κόμβους Tmote Sky (μεταγενέστερη έκδοση των TelosB)[41], που αποτελούν μια από τις συνηθέστερες επιλογές των κατασκευαστών WSN συστημάτων. Οι Tmote Sky αποτελούν μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα, που αναπτύχθηκε στο πανεπιστήμιο Berkeley της California και είναι βασισμένη στον μικροεπεξεργαστή MSP430 της Texas Instruments. Επιπλέον, προσφέρουν συμβατότητα με το Contiki και το πρότυπο επικοινωνίας IEEE , κάνοντας εύκολη την διασύνδεσή τους με άλλους τύπους κόμβων. Περισσότερες λεπτομέρειες για τα τεχνικά μέρη της προσομοίωσης παρουσιάζονται στο Παράρτημα.

59 49 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής 3.4 Διάταξη προσομοίωσης Για τη μοντελοποίηση των συνθηκών λειτουργίας, λαμβάνοντας υπόψη τον φόρτο του δικτύου και άλλες πτυχές των WSN, ορίσαμε σταθερές και μεταβλητές παραμέτρους ώ στε να διαπιστώσουμε την επίδρασή τους στη λειτουργία της τεχνικής. Η εξομοίωση των μετρήσεων που θα παρήγαγαν τα κυκλώματα των αισθητήρων στους κόμβους έγινε δημιουργώντας τυχαίες τιμές με συγκεκριμένο ρυθμό ανάλογο με το επιθυμητό επίπεδο κίνησης δικτύου. Αρχικά, εκτελέσαμε προσομοιώσεις για διαφορετικά σενάρια χωρίς τη χρήση της τεχνικής μας ώστε να δημιουργήσουμε το σύνολο των αποτελεσμάτων control ή raw σε σχέση με τα οποία συγκρίναμε και όλα τα υπόλοιπα σενάρια. Για τα σενάρια raw θεωρήσαμε ότι στο σύστημα δεν εφαρμόζεται καμία διαχείριση κίνησης των πακέτων, αλλά αυτά προωθούνται άμεσα στους επόμενους σταθμούς τους. Τέλος, θεωρήσαμε ότι οι κόμβοι δεν εξαντλούν ποτέ τη διαθέσιμη ενέργειά τους και άρα λειτουργούν συνεχώς και χωρίς διακοπές. Θέλοντας όμως να εκτιμήσουμε το κέρδος σε κατανάλωση ενέργειας που προκύπτει από την τεχνική μας, μετρήσαμε τον συνολικό χρόνο λειτουργίας κάθε μονάδας των motes ώστε να μπορέσουμε να τον συγκρίνουμε με τα σενάρια raw Οργάνωση του δικτύου Με στόχο την αξιολόγηση της επίδρασης της PB CAT σε τυπικά WSN, τα οποία λειτουργούν σε διάφορες συνθήκες, σχεδιάσαμε ένα ασύρματο δίκτυο που περιλαμβάνει 100 κόμβους με τυχαία διασπορά στον χώρο. Στο Σχήμα 3.3 παρουσιάζεται η σχηματική αναπαράσταση της διάταξης προσομοίωσης που χρησιμοποιήσαμε και σημειώνεται με κόκκινο χρώμα ο κόμβος sink με το αναγνωριστικό 1. Επιλέξαμε ως εμβέλεια για όλους τους κόμβους τα 50 μέτρα, ενώ κάθε τετράγωνο του σχήματος δηλώνει απόσταση 10 μέτρων. Κατά συνέπεια, όπως είναι εμφανές στο σχήμα, υπάρχουν κόμβοι που βρίσκονται κατά πολύ εκτός εμβέλειας του 1 και θα πρέπει να λειτουργήσουν με λογική multihop για να μεταδώσουν τα πακέτα τους.

60

61 51 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής αριθμό στο διάστημα (0.8, 1.2) ώστε να αποφύγουμε την δημιουργία πακέτων από ό λους τους κόμβους την ίδια ακριβώς στιγμή, γεγονός που θα δημιουργούσε αυξημένο αριθμό συγκρούσεων. Επιπρόσθετα, ύψιστης σημασίας είναι και η ρύθμιση του χρονικού διαστήματος κατά το οποίο τα πακέτα αναμένουν στην αντίστοιχη ουρά με σκοπό να συγχωνευθούν και η ο ποία γίνεται μέσω του μεγέθους που καλούμε Merge Time MT. Το πραγματικό διάστημα αναμονής κάθε ουράς υπολογίζεται ως το γινόμενο του ΜΤ με έναν συντελεστή κλάσης ώστε η αναμονή των πακέτων να είναι αντιστρόφως ανάλογη της προτεραιότητάς τους. Με σκοπό να αξιολογήσουμε την τεχνική σε διάφορα σενάρια σχετικά με την προτεραιότητα των πακέτων εισήγαμε τρία συμπληρωματικά μεγέθη Ratio0, Ratio1 και Ratio2 που αντιπροσωπεύουν το ποσοστό των πακέτων που παράγονται με υψηλή, μέση και χαμηλή προτεραιότητα αντίστοιχα. Όπως είναι κατανοητό, το ποσοστό των πακέτων είναι αντιστρόφως ανάλογο της προτεραιότητας, με το μικρότερο ποσοστό να ανήκει στη μεγαλύτερη προτεραιότητα. Τελικά καταλήγουμε στις σχέσεις: Ratio0 Ratio1 Ratio2 1 Ratio0 Ratio1 Ratio2 1 Ο καθορισμός της κλάσης των πακέτων γίνεται με κατανομή Poisson δηλαδή με τον ακόλουθο τύπο: 0, x Ratio0 class 1, x Ratio0 Ratio1 2, αλλού όπου x random 0, 1 Η απόδοση της τεχνικής μπορεί να επηρεαστεί αρκετά από το μέγιστο μέγεθος πακέτου, καθώς αυτό έχει άμεσο αντίκτυπο στον ρυθμό συγκρούσεων, αφού όσο μεγαλώνει το μήκος πακέτου, τόσο περισσότερη ώρα απασχολούν οι κόμβοι το επικοινωνιακό κανάλι, αυξάνοντας την πιθανότητα σύγκρουσης και κατά συνέπεια την καθυστέρηση και τον ρυθμό απώλειας. Από την άλλη, περιορίζοντας το μέγεθος των δεδομένων σε κάθε πακέτο περιορίζουμε και τα θετικά αποτελέσματα της PB CAT. Έτσι, για να βρεθεί η βέλτιστη τιμή για το μήκος πακέτου ορίσαμε την παράμετρο Maximum Data Length MDL, η οποία καθορίζει τον μέγιστο αριθμό των bytes που μπορούν να τοποθετηθούν στο τμήμα δεδομένων ενός πακέτου. Τέλος, για να ρυθμίσουμε τον τρόπο λειτουργίας της PB CAT και να εξερευνήσουμε επιπλέον σενάρια χρησιμοποιήσαμε τις παραμέτρους Direct Forward DF και Single Class Mode SCM, οι οποίες παίρνουν μόνο τιμές Boolean (true/false ή 0/1) και ενεργοποιούν

62

63

64

65 55 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής Από τα παραπάνω πρωτογενή μεγέθη προέκυψαν επιπλέον μετρήσεις με σκοπό τη διευκόλυνση της σύγκρισης των διαφόρων σεναρίων, κυρίως με σκοπό την ανάδειξη της διαφοράς ανάμεσα στην απόδοση των σεναρίων raw με αυτά που κάνουν χρήση της τεχνικής μας. 3.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης Η επιρροή του φόρτου δικτύου (traffic factor) Ρυθμίζοντας την παράμετρο TF ώστε να αντιπροσωπεύει τρεις καταστάσεις υψηλής, μέση και χαμηλής κίνησης στο δίκτυο, μετρήσαμε τα χαρακτηριστικά του συστήματος. Από τα αποτελέσματα διαπιστώσαμε ότι η επιρροή της τεχνικής μας στην μείωση της συμφόρησης είναι μεγάλη σε συνθήκες υψηλού φορτίου και μειώνεται όταν υπάρχει χαλάρωση. Συγκεκριμένα, για TF=250 ms και MT=2000 ms, δηλαδή στην υψηλότερη κίνηση και το μεγαλύτερο διάστημα σύμπτυξης που δοκιμάσαμε, παρατηρήθηκε μείωση των μεταδόσεων ύψους 52% και του ρυθμού χαμένων πακέτων κατά 18% σε σχέση με το αντίστοιχο σενάριο χωρίς PB CAT (ίδιο φορτίο αλλά χωρίς σύμπτυξη). Αντίστοιχα αποτελέσματα είχαμε και στην κατανάλωση ενέργειας των κόμβων με τη μέση καταναλισκόμενη ενέργεια να παρουσιάζει πτώση της τάξης του 7% αλλά, όπως ήταν αναμενόμενο, με την καθυστέρηση πακέτου να αυξάνεται κατά 8 φορές. Από την άλλη, στο σενάριο χαμηλής κίνησης (για TF=4000 ms) είδαμε τα θετικά αποτελέσματα της τεχνικής μας να μειώνονται αρκετά, περιορίζοντας το κέρδος του ρυθμού χαμένων πακέτων στο 4% και αυξάνοντας την καθυστέρηση πακέτου περίπου κατά τρεις τάξεις μεγέθους, ενώ τα υπόλοιπα μεγέθη του δικτύου δεν παρουσιάζουν σημαντικές αλλαγές. Αυτή η μεγάλη αύξηση της καθυστέρησης εξηγείται εύκολα από το γεγονός ότι στο αρχικό σενάριο ελέγχου χαμηλής κίνησης το δίκτυο είναι τόσο χαλαρό (παράγεται περίπου ένα πακέτο ανά κόμβο ανά 4 δευτερόλεπτα) που η συμφόρηση και οι συγκρούσεις είναι σχεδόν ανύπαρκτες και δεν δημιουργούν ιδιαίτερη καθυστέρηση. Στα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζονται οι μετρήσεις του δικτύου προσομοίωσης για διάφορες τιμές των traffic factor και merge time. Για τη σχεδίαση χρησιμοποιήθηκαν οι εξής σταθερές, έχοντας αντίστοιχα αποτελέσματα και για διαφορετικές τιμές τους: MDL DF SCM Ratio0 Ratio1 Ratio2 54 False False Πίνακας 3.3: Σταθερές που χρησιμοποιήθηκαν για τα διαγράμματα των TF και ΜΤ

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78 68 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής 3.6 Συμπεράσματα Αξιολόγηση Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάστηκαν οι πειραματικές μετρήσεις σχετικά με την απόδοση της Priority Based Congestion Avoidance τεχνικής που αναπτύξαμε. Κάποιες γενικές παρατηρήσεις που προέκυψαν είναι οι εξής: Ανεξαρτήτως του τρόπου μείωσής του, ο αριθμός των μεταδόσεων σχετίζεται ά μεσα με τα χαρακτηριστικά του συστήματος και κυρίως με ποσοστό χαμένων πακέτων και την κατανάλωση ενέργειας. Η σχέση αυτή είναι είτε άμεση λόγω του μικρότερου χρόνου λειτουργίας των radio modules, είτε έμμεση κυρίως λόγω της μείωσης του ρυθμού συγκρούσεων. Η μείωση του συνολικού αριθμού μεταδόσεων στο δίκτυο έχει ευεργετικά αποτελέσματα στη συμφόρηση του δικτύου αλλά, λόγω του ότι επιτυγχάνεται μέσω μεθόδων που καθυστερούν τα πακέτα δεδομένων, προσθέτει αρκετά στην μέση καθυστέρηση. Για τον λόγο αυτό, σε time critical ή strict real time εφαρμογές εμφανίζεται η ανάγκη βελτιστοποίησης, με πρώτο βήμα αυτό της απευθείας μετάδοσης που προτείναμε. Η ύπαρξη και η χρήση της λειτουργίας direct forward για τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας παρουσίασε πολύ θετικά αποτελέσματα στη συνολική απόδοση του δικτύου, καθώς η τεχνική μας σε αυτή τη λειτουργία αντιμετώπισε επιτυχώς τον επείγοντα χαρακτήρα των HPP. Ο στόχος αυτός, που είναι από τους βασικότερους στα WSN, έγινε δυνατόν να επιτευχθεί, καθώς η καθυστέρηση των πακέτων υψηλής προτεραιότητας από την τεχνική είναι ελάχιστη, αλλά ταυτόχρονα με την μείωση της συμφόρησης διευκολύνεται η κίνηση των πακέτων αυτών, ιδίως σε κόμβους που δέχονται μεγάλη ποσότητα δεδομένων. Όπως προβλέψαμε και κατά τον σχεδιασμό της τεχνικής μας, η απόδοσή της είναι ιδιαίτερα εμφανής σε συνθήκες υψηλής κίνησης, ενώ φθίνει σε συνθήκες χαμηλής. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν πλήρως αναμενόμενο, αφού βασικός στόχος της PB CAT είναι η αποφυγή της συμφόρησης του δικτύου και δεδομένου ότι αυτή εμφανίζεται σε μεγαλύτερο βαθμό σε καταστάσεις υψηλού φορτίου. Λόγω της ιδιαίτερα ευνοϊκής αντιμετώπισης των HPP από την τεχνική, τα αποτελέσματά της βελτιώνονται καθώς αυξάνεται το ποσοστό των HPP στο δίκτυο. Παρ όλα αυτά, η κατάσταση αντιστρέφεται αν το ποσοστό αυτά πάψουν να αποτελούν μειοψηφία και ξεπεράσουν το 50%. Η θέση στο δικτυακό δένδρο των κόμβων που συμμετέχουν στη συγχώνευση παίζει ιδιαίτερο ρόλο στην τελική απόδοση της τεχνικής, ιδίως όταν αυτοί παράγουν πακέτα διαφορετικών κλάσεων. Για να διατηρήσουμε την αξιολόγηση ανεξάρτητη της

79 69 Κεφάλαιο 3: Χαρακτηριστικά εφαρμογής εφαρμογής θεωρήσαμε ότι όλοι ο κόμβοι συμμετείχαν στην PB CAT πλην των φύλλων του δένδρου και του sink, αλλά θα ήταν χρήσιμο η επιλογή των κόμβων να γίνεται με κριτήρια σχετικά με την εφαρμογή.

80 70 Κεφάλαιο 4: Συμπεράσματα 4 Συμπεράσματα 4.1 Τελικά συμπεράσματα Σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και η αξιολόγηση μιας τεχνικής αποφυγής συμφόρησης σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων στα οποία διακινούνται δεδομένα διαφορετικών προτεραιοτήτων. Για το λόγο αυτό με βάση προηγούμενες εργασίες του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Εφαρμογών αναπτύχθηκε ο αλγόριθμος της τεχνικής και πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες δοκιμές σε περιβάλλον προσομοίωσης ώστε να αξιολογηθούν τα αποτελέσματά του. Οι προσομοιώσεις αυτές σχεδιάστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε τα τελικά αποτελέσματα να είναι όσο το δυνατόν ανεξάρτητα της δεδομένης τοπολογίας και εφαρμογής. Επίσης, στο πλαίσιο της αξιολόγησης πραγματοποιήθηκαν εξομοιώσεις χωρίς τη χρήση της προτεινόμενης τεχνικής με στόχο τη δημιουργία μετρήσεων ελέγχου. Παρακάτω συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη σειρά δοκιμών και τα οποία αφορούν τη συμπεριφορά της μεθόδου σε διαφορετικά σενάρια λειτουργίας: Η απόδοση ως προς την απώλεια πακέτων είναι πολύ καλή αφού σε όλα ανεξαιρέτως τα σενάρια δοκιμών παρουσιάστηκε μείωση του ρυθμού απώλειας σε σχέση με το αντίστοιχο σενάριο ελέγχου έως και 20%, δημιουργώντας κατάλληλες συνθήκες για την ανάπτυξη εφαρμογών στις οποίες η σωστή μετάδοση πακέτου αποτελεί βασικό σκοπό. Αντίστοιχη βελτίωση προέκυψε και στην κατανάλωση ενέργειας των κόμβων με τη μείωση της απαιτούμενης ενέργειας να κυμαίνεται κατά μέσο όρο στα επίπεδα του 25% με 50%. Το συγκεκριμένο αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, καθώς συχνά παρουσιάζεται η ανάγκη λειτουργίας χωρίς εξωτερική τροφοδοσία ή επαναφόρτιση για χρονικά διαστήματα που μπορεί να φτάσουν τους μερικούς μήνες ή ακόμα και χρόνια. Δεδομένης της εκούσιας καθυστέρησης των πακέτων που γίνεται στο πλαίσιο της τεχνικής με σκοπό τη σύμπτυξή τους, η μέση καθυστέρηση πακέτου αυξάνεται αρκετά σε σχέση με τα σενάρια ελέγχου. Παρ όλα αυτά, ο βαθμός αύξησης είναι τέτοιος ώστε να επιτρέπει τη χρήση της τεχνικής στην παρούσα μορφή της σε δίκτυα με υψηλή κίνηση δεδομένων. Παρατηρήθηκε ότι η απόδοση της PB CAT βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο επίπεδο φόρτισης του δικτύου και παρουσιάζει βέλτιστα αποτελέσματα σε σενάρια υψηλής και μέσης κίνησης. Το γεγονός αυτό ήταν αναμενόμενο, καθώς στα εν λόγω σενάρια εμφανίζεται υψηλότερη συμφόρηση, αλλά στην πράξη δεν επηρεάζει την απόδοση της τεχνικής, καθώς στα περισσότερα WSN η μέση φόρτιση εί

81 71 Κεφάλαιο 4: Συμπεράσματα ναι καθορισμένη και δεν αλλάζει δυναμικά. Σε κάθε περίπτωση, υπάρχει δυνατότητα χρήσης μηχανισμών εκτίμησης κίνησης ή ανίχνευσης συμφόρησης. Κάποιες βασικές ιδέες για τους μηχανισμούς αυτούς περιγράφονται στην επόμενη ενότητα. Αν και θα θεωρούσαμε ότι επιλέγοντας μεγαλύτερο μήκος ουράς για τα συγχωνευόμενα πακέτα θα παρατηρούσαμε αντίστοιχη αύξηση στην απόδοση της τεχνικής, η σχέση αυτή δεν ισχύει. Καθώς το μήκος πακέτου είναι γραμμική συνάρτηση του μήκους ουράς, η αύξηση του μήκους της οδηγεί σε αυξημένο χρόνο χρήσης των κυκλωμάτων μετάδοσης και κατά συνέπεια του μέσου μετάδοσης. Έτσι, οι μετρήσεις έδειξαν ότι υπάρχει ένα κατώφλι πάνω από το οποίο η αύξηση του μήκους ουράς έχει στην πραγματικότητα αντίθετα αποτελέσματα. Αν και το κατώφλι αυτό είναι πολύ πιθανόν να εξαρτάται κατά πολύ από λεπτομέρειες της υλοποίησης όπως το εύρος ζώνης, το συγκεκριμένο κύκλωμα μετάδοσης κ.ά., οι δοκιμές μας έδειξαν ότι τα βέλτιστα αποτελέσματα προκύπτουν για μήκη που α ντιστοιχούν σε περίπου 9 12 πακέτα δεδομένων και καταλαμβάνουν κατά προσέγγιση το 40% 60% του buffer των κόμβων. Εκτός από το ρυθμό παραγωγής πακέτων, και η ίδια η φύση αυτών μπορεί να διαδραματίσει σοβαρό ρόλο στην τελική απόδοση της προτεινόμενης τεχνικής. Όπως κατέδειξαν οι μετρήσεις του δικτύου, σε σενάρια με σχετικά υψηλό ποσοστό πακέτων υψηλής προτεραιότητας ή σενάρια παραγωγής πακέτων μιας προτεραιότητας ανά κόμβο τα τελικά αποτελέσματα της μεθόδου βελτιώνονται ιδιαίτερα. Με βάση τα παραπάνω συμπεράσματα η παρούσα εργασία θέτει τη βάση για την ανάπτυξη μιας τεχνικής που θα μπορεί να βελτιώσει αισθητά την απόδοση ενός Wireless Sensor Network. Η βελτίωση αυτή θα είναι ακόμα μεγαλύτερη αν αναπτυχθούν επιπλέον μηχανισμοί διαχείρισης των δεδομένων που θα βελτιώσουν τυχόν μειονεκτήματα της παρούσας μεθόδου. 4.2 Μελλοντική ανάπτυξη της τεχνικής Με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μας και σχετικές τεχνικές και μεθόδους της βιβλιογραφίας παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένες βασικές ιδέες που θα μπορούσαν να υλοποιηθούν στο μέλλον με σκοπό τη βελτίωση της προτεινόμενης τεχνικής: Αρχικά, μια από τις βασικότερες και σχετικά απλές τροποποιήσεις θα ήταν η υ ποστήριξη δυναμικών μονοπατιών δρομολόγησης ώστε να αντιμετωπίζονται οι περιπτώσεις απώλειας κόμβων ή ακόμα και να γίνεται βέλτιστη επιλογή των μονοπατιών ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των κόμβων που περιλαμβάνουν (π.χ. αποθέματα ενέργειας, εμβέλεια, πληρότητα μνήμης). Η διαδικασία καθορισμού

82 72 Κεφάλαιο 4: Συμπεράσματα των μονοπατιών μπορεί να γίνει με δύο διαφορετικούς τρόπους: είτε εκ των προτέρων με υπολογισμό και αποθήκευση των διαδρομών (proactive routing), είτε σε πραγματικό χρόνο, οπότε κάθε σταθμός θα αποφασίζει άμεσα τον επόμενο προορισμό του πακέτου που θέλει να μεταδώσει (reactive routing). Και οι δύο μηχανισμοί έχουν θετικά και αρνητικά στοιχεία που σχετίζονται με τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και συνεπώς η επιλογή ανάμεσά τους βασίζεται κυρίως στην εκάστοτε υλοποίηση. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να αναπτυχθούν μηχανισμοί ανίχνευσης και απόφασης για την επιλογή των μονοπατιών. Τυπικό παράδειγμα των μηχανισμών αυτών είναι η μέθοδος beacon, η οποία προβλέπει τη μετάδοση πακέτων ελέγχου ανά τακτά χρονικά διαστήματα ώστε να ενημερώνονται οι κόμβοι του δικτύου για την κατάσταση των γειτονικών σταθμών. Όπως παρατηρήσαμε, η μέθοδος που προτείνεται στην παρούσα εργασία λειτουργεί με τον επιθυμητό τρόπο κυρίως σε δίκτυα με υψηλό και μέσο φορτίο. Αν και τις περισσότερες φορές στα WSN το φορτίο κίνησης δεν παρουσιάζει ιδιαίτερα απότομες μεταβολές, θα ήταν επιθυμητή η ανάπτυξη ενός μηχανισμού μέτρησης της δικτυακής κίνησης ώστε ανάλογα να μπορεί να χαλαρώνει ή να εντείνεται η επεξεργασία των δεδομένων από την PB CAT. Λόγω του τρόπου επικοινωνίας broadcast των motes των WSN, μια τέτοια μέθοδος μέτρησης θα μπορούσε να βασιστεί στην παρακολούθηση του καναλιού από όλους τους κόμβους και τη μέτρηση του ρυθμού μετάδοσης πακέτων, έχοντας βέβαια και το αντίστοιχο κόστος κυρίως στην κατανάλωση ενέργειας. Στην ίδια λογική με τα προηγούμενα θα ήταν χρήσιμο να συμπεριλάβουμε στην τεχνική δομές που να ανιχνεύουν την εμφάνιση δικτυακής συμφόρησης και να αντιδρούν ανάλογα. Τέτοιες δομές μπορεί να είναι αρκετά απλές, όπως η παρακολούθηση της πληρότητας των buffers ή της χρήσης του καναλιού επικοινωνίας για ένα χρονικό διάστημα, ή και πιο σύνθετες, που βασίζονται σε τρέχουσες και παρελθοντικές δικτυακές μετρήσεις αλλά και αλγορίθμους εκτίμησης. Ανάλογες τεχνικές θα πρέπει βέβαια να αξιολογούνται με γνώμονα τη συγκεκριμένη υλοποίηση, καθώς καταναλώνουν επιπλέον εύρος ζώνης και ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τις εν λόγω μεθόδους ανίχνευσης η τεχνική μας θα μπορούσε να προσαρμόζει δυναμικά τη λειτουργία της, όπως προτάθηκε προηγουμένως, αλλά ακόμα θα μπορούσε να επιδρά και στην επιλογή των μονοπατιών δρομολόγησης, διαλέγοντας διαδρομές μικρότερης συμφόρησης. Επιπλέον, ενδιαφέρουσα θα ήταν η επιλογή σε πραγματικό χρόνο των κόμβων που συμμετέχουν στη συγχώνευση. Τέλος, πιστεύουμε ότι ιδιαίτερη σημασία στην απόδοση της τεχνικής θα είχε η δυναμική μεταβολή του χρόνου συγχώνευσης (merge time) σε σχέση με τον βαθμό συμφόρησης που ανιχνεύεται. Στην ίδια λογική κινείται και το επικοινω

83 73 Κεφάλαιο 4: Συμπεράσματα νιακό πρωτόκολλο TCP, το οποίο πρακτικά μειώνει τον ρυθμό μετάδοσης εκθετικά, όταν παρατηρήσει συμφόρηση. Αντίστοιχα, στη δική μας τεχνική θα μπορούσαμε να αυξάνουμε τον χρόνο συγχώνευσης ώστε να μειώνεται η μέση φόρτιση του δικτύου.

84 74 Βιβλιογραφία Βιβλιογραφία [1] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, Wireless sensor networks: a survey, Comput. Networks, vol. 38, no. 4, pp , Mar [2] J. M. Rabaey, M. J. Ammer, J. L. da Silva, D. Patel, and S. Roundy, PicoRadio supports ad hoc ultra low power wireless networking, Computer (Long. Beach. Calif)., vol. 33, no. 7, pp , Jul [3] I. Chalermek, R. Govindan, and D. Estrin, Directed Diffusion : A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks, ACM SIGMOBILE Int. Conf. Mob. Comput. Netw., pp , [4] I. F. Akyildiz and I. H. Kasimoglu, Wireless sensor and actor networks: Research challenges, Ad Hoc Networks, vol. 2, pp , [5] G. Hoblos, M. Staroswiecki, and A. Aitouche, Optimal design of fault tolerant sensor networks, in Proceedings of the IEEE International Conference on Control Applications. Conference Proceedings (Cat. No.00CH37162), 2000, pp [6] N. Bulusu, D. Estrin, and L. Girod, Scalable coordination for wireless sensor networks: self configuring localization systems, in Proc. of the 6th International Symposium on Communication Theory and Applications(ISCT A 01), Ambleside, UK, 2001, pp [7] J. Broch, D. A. Maltz, D. B. Johnson, Y. Hu, and J. Jetcheva, A performance comparison of multi hop wireless ad hoc network routing protocols, in Proceedings of the 4th annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking MobiCom 98, 1998, pp [8] A. Perrig, Designing Secure Sensor Networks, IEEE Wirel. Commun., vol. 11, no. 6, pp , Dec [9] T. Arampatzis, J. Lygeros, and S. Manesis, A Survey of Applications of Wireless Sensors and Wireless Sensor Networks, Proc IEEE Int. Symp. on, Mediterrean Conf. Control Autom. Intell. Control , [10] Brainy Buildings Conserve Energy, [Online]. Available: [11] A. Mainwaring, D. Culler, J. Polastre, R. Szewczyk, and J. Anderson, Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring, in Proceedings of the 1st {ACM}

85 75 Βιβλιογραφία International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications, 2002, pp [12] E. Waltz, How Ι quantified myself, IEEE Spectr., vol. 49, no. 9, pp , Sep [13] M. Srivastava and R. Muntz, Smart kindergarten: sensor based wireless networks for smart developmental problem solving environments, Proc. 7th Annu., pp , [14] K. Sohraby, D. Minoli, and T. Znati, Wireless Sensor Networks. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2007, p [15] C. Castello, R. Chen, J. Fan, and A. Davari, Context aware wireless sensor networks for smart home monitoring, Int. J., vol. 6, no. 2, [16] Y. Lam, Deploying an NI Wireless Sensor Network to Monitor Parking Garage Occupancy, pp [17] A. Bielsa, Smart Parking and environmental monitoring in one of the world s largest WSN, [Online]. Available: [18] B. Hatem and H. Habib, Bus management system using rfid in wsn, Eur. Mediterr. Conf., vol. 2010, pp. 1 8, [19] J. V. Paatero and P. D. Lund, A model for generating household electricity load profiles, Int. J. Energy Res., vol. 30, no. 5, pp , Apr [20] R. Stamminger, Synergy Potential of Smart Appliances, Deliv. 2.3 Work Packag. 2 from Smart A Proj., vol. 2, p. 237, [21] B. Heile, Emerging Standards: Where Do ZigBee/UWB Fit?, ZigBee Alliance, Bish. Ranch, CA, [22] Wireless Multimedia Sensor Networks. [23] Σ. Κουμπιάς, Βιομηχανικά Δίκτυα Υπολογιστών [24] F. L. Lewis, Smart Environments Wireless Sensor Networks, D. J. Cook and S. K. Das, Eds. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., [25] O. B. Akan and I. F. Akyildiz, Event to sink reliable transport in wireless sensor networks, IEEE/ACM Trans. Netw., vol. 13, no. 5, pp , Oct

86 76 Βιβλιογραφία [26] G. Sharma, Routing in wireless sensor networks, [27] E. Fasolo, M. Rossi, J. Widmer, and M. Zorzi, In network aggregation techniques for wireless sensor networks: a survey, IEEE Wireless Communications, vol. 14. pp , [28] I. Solis and K. Obraczka, The impact of timing in data aggregation for sensor networks, 2004 IEEE Int. Conf. Commun. (IEEE Cat. No.04CH37577), vol. 6, [29] A. Manjhi, S. Nath, and P. B. Gibbons, Tributaries and deltas: efficient and robust aggregation in sensor network streams, in SIGMOD 05: Proceedings of the 2005 ACM SIGMOD international conference on Management of data, 2005, pp [30] S. Madden, M. J. Franklin, J. M. Hellerstein, and W. Hong, TAG a Tiny AGgregation Service for Ad Hoc Sensor Networks, ACM SIGOPS Oper. Syst. Rev., vol. 36, no. SI, p. 131, Dec [31] C. Intanagonwiwat, R. Govindan, D. Estrin, J. Heidemann, and F. Silva, Directed diffusion for wireless sensor networking, IEEE/ACM Trans. Netw., vol. 11, pp. 2 16, [32] G. Di Bacco, T. Melodia, and F. Cuomo, A MAC Protocol for Delay Bounded Applications in Wireless Sensor Networks, in 3rd Annual Mediterranean AdHoc Networking Workshop, 2004, pp [33] IEEE Computer Society, Part 15.1: Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for wireless personal area networks (WPANs), IEEE Standards , vol [34] W. B. Heinzelman, A. P. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, An applicationspecific protocol architecture for wireless microsensor networks, IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 1, no. 4, pp , Oct [35] Y. Yao and J. Gehrke, The cougar approach to in network query processing in sensor networks, ACM SIGMOD Record, vol. 31. p. 9, [36] S. Nath, P. B. Gibbons, S. Seshan, and Z. Anderson, Synopsis diffusion for robust aggregation in sensor networks, ACM Trans. Sens. Networks, vol. 4, no. 2, pp. 1 40, Mar [37] D. Tsitsipis, S. M. Dima, A. Kritikakou, C. Panagiotou, J. Gialelis, H. Michail, and S. Koubias, Priority Handling Aggregation Technique (PHAT) for Wireless Sensor

87 77 Βιβλιογραφία Networks, Proc IEEE 17th Int. Conf. Emerg. Technol. Fact. Autom. (ETFA 2012), no. 2, pp. 1 8, Sep [38] D. Tsitsipis, S. M. Dima, A. Kritikakou, C. Panagiotou, and S. Koubias, Segmentation and reassembly data merge (SaRDaM) technique for Wireless Sensor Networks, Industrial Technology (ICIT), 2012 IEEE International Conference on. pp , [39] A. Dunkels, B. Gronvall, and T. Voigt, Contiki a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors, in 29th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks, 2004, pp [40] F. Osterlind, A. Dunkels, J. Eriksson, N. Finne, and T. Voigt, Cross Level Sensor Network Simulation with COOJA, Proceedings st IEEE Conf. Local Comput. Networks, pp , Nov [41] Moteiv Corporation, Moteiv: tmote sky low power wireless sensor module, Product Data Sheet, [42] L. Kleinrock and F. Tobagi, Packet Switching in Radio Channels: Part I Carrier Sense Multiple Access Modes and Their Throughput Delay Characteristics, IEEE Trans. Commun., vol. 23, [43] A. Dunkels, Rime a lightweight layered communication stack for sensor networks., [44] A. Dunkels, F. Osterlind, N. Tsiftes, and Z. He, Software based on line energy estimation for sensor nodes, in Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors EmNets 07, 2007, p. 28. [45] F. Kerasiotis, A. Prayati, C. Antonopoulos, C. Koulamas, and G. Papadopoulos, Battery Lifetime Prediction Model for a WSN Platform, 2010 Fourth Int. Conf. Sens. Technol. Appl., pp , Jul [46] S. Hadim and N. Mohamed, Middleware: Middleware Challenges and Approaches for Wireless Sensor Networks, IEEE Distrib. Syst. Online, vol. 7, no. 3, pp. 1 1, Mar [47] N. Reijers and K. Langendoen, Efficient code distribution in wireless sensor networks, in Proceedings of the 2nd ACM international conference on Wireless sensor networks and applications, 2003, pp [48] A. Dunkels and O. Schmidt, Protothreads Lightweight Stackless Threads in C, SICS Res. Rep., 2005.

88 78 Βιβλιογραφία [49] A. Dunkels, J. Alonso, and T. Voigt, Making TCP/IP viable for wireless sensor networks, SICS Res. Rep., pp. 1 9, [50] D. Mahrenholz and S. Ivanov, Real time network emulation with ns 2, in Proceedings Eighth IEEE International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications, DS RT 2004, 2004, pp [51] G. Wittenburg and J. Schiller, Running Real World Software on Simulated Wireless Sensor Nodes, in REALWSN 2006, [52] S. Park, A. Savvides, and M. Srivastava, SensorSim: A simulation framework for sensor networks, in Proceedings of the 3rd ACM international workshop on Modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems, 2000, pp [53] J. Eriksson, A. Dunkels, N. Finne, F. Österlind, and T. Voigt, Poster Abstract: MSPsim an Extensible Simulator for MSP430 equipped Sensor Boards, in European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN 2007), Poster/Demo session), 2007, pp [54] A. Dunkels, Contiki OS Blog. [Online]. Available: os.blogspot.com. [55] IEEE Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendment Physical Layer (PHY) Specifications for, IEEE P k/D3, Novemb. 2012, pp , Jan [56] C. Xiaoming and H. Geok Soon, A simulation study of the predictive p persistent CSMA protocol, Simul. Symp , pp , 2002.

89 79 Παράρτημα Β: Πηγαίος κώδικας Παράρτημα Α: Δομές και τεχνολογίες υλοποίησης Το λειτουργικό σύστημα Contiki To Contiki OS [39] αποτελεί ένα λειτουργικό σύστημα που αναπτύχθηκε στο Swedish Institute of Computer Science και σχεδιάστηκε εξ αρχής προς χρήση σε συστήματα με περιορισμένους πόρους όπως είναι τα ενσωματωμένα συστήματα και οι κόμβοι αισθητήρων. Για τον λόγο αυτό έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη βέλτιστη χρήση των λιγοστών πόρων του συστήματος, δημιουργώντας ένα λειτουργικό αποτελούμενο από διακριτά δομικά μέρη και βιβλιοθήκες ώστε να υπάρχει δυνατότητα επιλεκτικής φόρτωσης και να παραμένει σε χαμηλά επίπεδα τόσο ο απαιτούμενος αποθηκευτικός χώρος (μνήμη ROM) όσο και η απαιτούμενη μνήμη εκτέλεσης (μνήμη RAM). Επιπλέον, τα δομικά αυτά μέρη έχουν τη δυνατότητα να φορτωθούν και να αφαιρεθούν σε πραγματικό χρόνο, εξυπηρετώντας συγκεκριμένους σκοπούς. Η συγκεκριμένη δόμηση του Contiki, εκτός από την εξοικονόμηση πόρων και την απαίτηση για μόλις 10 kilobyte RAM και 30 kilobyte ROM, εξυπηρετεί και έναν άλλο σκοπό, αυτόν του εύκολου επαναπρογραμματισμού μεγάλων δικτύων αισθητήρων όσο αυτά βρίσκονται σε λειτουργία και χωρίς την ανάγκη για φυσική πρόσβαση στους κόμβους. Για να εξαλειφθεί αυτή η ανάγκη φυσικής πρόσβασης έχουν αναπτυχθεί διάφορα πρωτόκολλα και τεχνικές [46], [47], τα οποία στην πράξη δημιουργούν τους μηχανισμούς για τη διάδοση των νέων τμημάτων λογισμικού. Προκύπτει λοιπόν η απαίτηση για ελαχιστοποίηση του μεγέθους των τμημάτων αυτών ώστε να μην επιβαρύνεται το ήδη περιορισμένο σε δυνατότητες δίκτυο. Η απαίτηση αυτή ικανοποιείται εύκολα από το Contiki, αποστέλλοντας μόνο το δομικό μέρος ή τη βιβλιοθήκη που επιθυμούμε. Επιπλέον, δεδομένης της πραγματικού χρόνου φύσης των WSN οι σχεδιαστές του Contiki θεώρησαν εξέχουσας σημασίας τη δυνατότητα εκτέλεσης πολλαπλών διεργασιών ταυτόχρονα και για τον λόγο αυτό δημιούργησαν έναν μηχανισμό εκτέλεσης ειδικά σχεδιασμένο για τέτοιες περιπτώσεις, που τον ονόμασαν Protothreads [48]. Για την επικοινωνιακή λογική στο Contiki χρησιμοποιούνται δύο ανεξάρτητες επικοινωνιακές στοίβες, η uip [49] και η Rime [43]. Στην περίπτωση της uip διατηρείται η συμβατότητα με το πρωτόκολλο TCP/IP με όσο το δυνατόν πιο αποδοτικό τρόπο, ενώ η Rime ελαχιστοποιεί τα πρόσθετα δεδομένα που απαιτούνται στα πακέτα μειώνοντας έτσι την σπατάλη εύρους ζώνης. Οι εφαρμογές μπορούν να χρησιμοποιήσουν οποιαδήποτε στοίβα χρειάζονται, και τις δύο μαζί ή και καμία από τις δύο, αναπτύσσοντας δική τους προσαρμοσμένη στοίβα. Παρ όλα αυτά, η Rime οργανώνεται σε επίπεδα και παρέχει με εύκολο τρόπο πολλές δυνατότητες επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται συχνά, όπως η υλοποίηση επικοινωνίας broadcast, unicast και multicast, αποτελώντας μια από τις καλύτερες επιλογές για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων.

90