ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής. Μεταπτυχιακή Εργασία

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Μεταπτυχιακή Εργασία Σχεδιασµός, Υλοποίηση και Πειραµατική Αξιολόγηση Πρωτοκόλλων Συλλογής εδοµένων σε ίκτυα Αισθητήρων µε Κινητά Κέντρα Ελέγχου Μεταπτυχιακό ίπλωµα Ειδίκευσης : Επιστήµη και Τεχνολογία Υπολογιστών ήµητρα Πατρούµπα ΑΜ:579 patroump@ceid.upatras.gr Σύµβουλος Καθηγητής: Σωτήρης Νικολετσέας, Επίκουρος Καθηγητής Μάρτιος, 2009

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Μεταπτυχιακή Εργασία Σχεδιασµός, Υλοποίηση και Πειραµατική Αξιολόγηση Πρωτοκόλλων Συλλογής εδοµένων σε ίκτυα Αισθητήρων µε Κινητά Κέντρα Ελέγχου Μεταπτυχιακό ίπλωµα Ειδίκευσης : Επιστήµη και Τεχνολογία Υπολογιστών ήµητρα Πατρούµπα ΑΜ:579 patroump@ceid.upatras.gr Σύµβουλος Καθηγητής: Σωτήρης Νικολετσέας, Επίκουρος Καθηγητής Εξεταστική επιτροπή : Εµµανουήλ Βαρβαρίγος, Καθηγητής Σωτήρης Νικολετσέας, Επίκουρος Καθηγητής Παύλος Σπυράκης, Καθηγητής Μάρτιος, 2009

i Πρόλογος Τα ίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από ένα µεγάλο αριθµό µικρών αυτόνοµων συσκευών, που αλληλεπιδρούν µε το άµεσο περιβάλλον τους µέσω αισθητήρων, επικοινωνούν µεταξύ τους ασύρµατα και συνεργάζονται ϕέροντας εις πέρας εργασίες που δε ϑα µπορούσε να ολοκληρώσει µία µόνο συσκευή. Κάθε συσκευή του δικτύου διαθέτει περιορισµένη υπολογιστική δύναµη και ενεργειακούς πόρους, εποµένως η όσο το δυνατόν λιγότερη κατανάλωση ενέργειας είναι ϐασικό πρόβληµα των δικτύων αισθητήρων για τη µεγιστοποίηση του χρόνου Ϲωής τους. Συνήθως τα δίκτυα αισθητήρων αναπτύσσονται σε µεγάλες περιοχές ενδιαφέροντος για την υποστήριξη σηµαντικών εφαρµογών του πραγµατικού κόσµου. Η πληροφορία που ανιχνεύεται από τους κόµβους αισθητήρων προωθείται προς ένας σταθερό, συνήθως, κέντρο ελέγχου, µε αναµεταδόσεις των δεδοµένων στους ενδιάµεσους κόµβους. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσ- µα τη µεγάλη κατανάλωση ενέργειας στις συσκευές, ιδιαίτερα σε αυτές που ϐρίσκονται κοντά στο κέντρο ελέγχου, αφού πρέπει να αναµεταδίδουν και τα δεδοµένα που ϕτάνουν από το υπόλοιπο δίκτυο προς το κέντρο ελέγχου. Για την επίτευξη µιας πιο ισορροπηµένης και αποδοτικής διαδικασίας συλλογής δεδοµένων, τα τελευταία χρόνια έχει υιοθετηθεί µια νέα προσέγγιση, όπου το κέντρο ελέγχου είναι κινητό. Η ϐασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σηµαντικά και εύκολα ανανεώσιµα αποθέµατα ενέργειας, εποµένως µπορεί να κινείται στην περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το δίκτυο αισθητήρων, αναλαµβάνοντας να συλλέξει τα δεδοµένα από τους κόµβους µε πολύ µικρό κόστος. Ωστόσο, η µετάδοση των δεδοµένων µπορεί να παρουσιάζει σηµαντικές καθυστερήσεις. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα ελέγχου της κίνησης ενός κέντρου ελέγχου σε δίκτυο αισθητήρων µε ανοµοιογενή ανάπτυξη των κόµβων αισθητήρων, µε στόχο την αποδοτική, ως προς την ενέργεια και τον χρόνο παράδοσης, συλλογή των δεδοµένων. Συγκεκριµένα, το κέντρο ελέγχου διαιρεί νοητά το δίκτυο σε περιοχές τις οποίες και επισκέπτεται διαδοχικά, σταµατώντας σε κάθε περιοχή για ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα, ώστε να συλλέξει τα δεδοµένα. Προτείνουµε δύο τρόπους κίνησης του κέντρου ελέγχου, ντετερµινιστικό και τυχαίο. Στην τυχαία κίνηση, η επιλογή της επόµενης περιοχής την οποία ϑα επισκεφτεί το κέντρο ελέγχου γίνεται µε τυχαίο τρόπο, εισάγοντας όµως ένα όρο µεροληψίας, έτσι ώστε να προτιµούνται περιοχές που έχουν δεχτεί λιγότερες επισκέψεις. Επιπλέον η µέθοδός µας αποφασίζει το χρόνο παύσης σε κάθε περιοχή λαµβάνοντας υπόψιν κάποιες ϐασικές παραµέτρους του δικτύου, όπως τα αρχικά αποθέµατα ενέργειας των κόµβων αισθητήρων και την πυκνότητα της κάθε περιοχής, έτσι ώστε να παραµένει περισσότερο χρόνο σε

ii περιοχές µε µεγαλύτερη πυκνότητα, άρα και µεγαλύτερη ποσότητα πληρο- ϕορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γρήγορη κάλυψη όλου του δικτύου, καθώς επίσης και η δίκαιη εξυπηρέτηση των επιµέρους περιοχών του δικτύου. Τα προτεινόµενα πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραµατικά µέσω προσο- µοίωσης, χρησιµοποιώντας ποικίλες τιµές για ϐασικές παραµέτρους του δικτύου και σύγκρινοντάς τα µε σχετικές υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές µεϑόδους. Τα αποτελέσµατα που πήραµε δείχνουν ότι τόσο ο χρόνος παράδοσης των µηνυµάτων, όσο και η ενέργεια που καταλώθηκε διατηρούνται σε χαµηλά επίπεδα, ϐελτιώνοντας σηµαντικά την προηγούµενη σχετική έρευνα. Καλή Ανάγνωση

iii Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Σωτήρη Νικολετσέα, Επίκουρο Καθηγητή του Πανεπιστηµίου Πατρών για την επίβλεψη της παρούσας εργασίας, για τη καθοδήγηση και την εποικοδοµητική συνεργασία µας. Επίσης, ϑα ήθελα να ευχαριστήσω το ϕίλο και συνεργάτη ρ. Αθανάσιο Κίναλη, για τη ϐοήθεια που µου προσέφερε κατά την ανάπτυξη των πρωτοκόλλων που παρουσιάζονται στην εργασία αυτή. Τέλος, ϑέλω να ευχαριστήσω την οικογένειά µου για την στήριξη που πάντα µου προσφέρει.

iv

v And the way up is the way down, the way forward is the way back" T.S. ELIOT, The four Quartets, «The Dry Salvages» Αφιερωµένο στον άνθρωπο που είναι πάντα δίπλα µου

vi

Περιεχόµενα 1 Εισαγωγή στα Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων 1 1.1 Γενικά............................... 1 1.2 Εφαρµογές των ικτύων Αισθητήρων............... 2 1.3 Σχεδιασµός ενός δικτύου αισθητήρων.............. 4 1.3.1 Ανοχή σε σφάλµατα.................... 5 1.3.2 Κλιµακωσιµότητα..................... 5 1.3.3 Περιορισµοί του υλικού.................. 5 1.3.4 Περιβάλλον........................ 6 1.3.5 Κατανάλωση ενέργειας.................. 6 1.3.6 Κόστος παραγωγής.................... 7 2 Κίνηση στα ίκτυα Αισθητήϱων 9 2.1 Το κίνητρο για τη Χρήση Κίνησης σε Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων 10 2.2 Πλεονεκτήµατα.......................... 11 2.3 Νέες Προκλήσεις......................... 12 2.4 Εφαρµογές............................ 13 2.5 Κινητές Οντότητες στα Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήϱων...... 14 2.5.1 Κινητό Κέντρο Ελέγχου.................. 14 2.5.2 Κινητοί Αναµεταδότες................... 15 2.5.3 Κινητοί Αισθητήρες.................... 15 2.6 Η Προσέγγισή µας........................ 16 3 Σχετική Βιβλιογραφία 17 3.1 Γενική Μελέτη για την Κίνηση στα ίκτυα Αισθητήρων..... 17 3.2 Κίνηση ενός Κέντρου Ελέγχου.................. 18 3.3 Πολλαπλά Κινητά Κέντρα Ελέγχου............... 20 3.4 Κινητοί Αισθητήρες........................ 21 4 Προτεινόµενα Πρωτόκολλα 23 4.1 Το Μοντέλο του ικτύου..................... 24 4.2 Η Συλλογή των εδοµένων.................... 25 vii

viii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 4.2.1 ιαπερνώντας το ίκτυο.................. 25 4.2.2 Υπολογισµός Χρόνων Παύσης.............. 29 5 Πειραµατική Αξιολόγηση 33 5.1 Περιβάλλον Υλοποίησης..................... 33 5.1.1 Ο Προσοµοιωτής ns 2.................. 33 5.1.2 Η Επέκταση TRAILS................... 35 5.2 Ο αλγόριθµος SCD........................ 36 5.3 Οργάνωση των Πειραµάτων.................... 38 5.4 Αποτελέσµατα και Αξιολόγηση.................. 39 6 Επίλογος 45

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στα Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων 1.1 Γενικά Στα τέλη της δεκαετίας του 90 αναπτύχθηκε στον κόσµο των υπολογιστών και της πληροφορικής το όραµα της λεγόµενης «Περιρρέουσας Νοηµοσύνης» (Ambient Intelligence). Σε έναν κόσµο όπου έχει αναπτυχθεί η Περιρρέουσα Νοηµοσύνη, οι συσκευές συλλέγουν και επεξεργάζονται πληροφορίες από το ϕυσικό περιβάλλον µε σκοπό τον έλεγχο των ϕυσικών διεργασιών καθώς και την αλληλεπίδραση µε τον άνθρωπο. Οσο το µέγεθος των συσκευών γίνεται όλο και µικρότερο, η ενσωµάτωσή τους στο περιβάλλον µας ϑα γίνεται εντονότερη : η τεχνολογία ϑα ϐρίσκεται παντού και πάντα (everywhere, everytime). Για να γίνει πραγµατικότητα το όραµα της Περιρρέουσας Νοηµοσύνης απαιτούνται κάποιες ϐασικές τεχνολογίες. Καταρχήν η τεχνολογία των ενσωµατωµένων συστηµάτων. Τα ενσωµατωµένα συστήµατα είναι µια ευρέως γνωστή τεχνολογία. Μάλιστα κάποιες εκτιµήσεις δείχνουν ότι το 98% όλων των υπολογιστικών συσκευών είναι ενσωµατωµένα συστήµατα, συστήµατα ειδικού σκοπού. Σπάνια σήµερα µπορεί να ϐρεθεί νοικοκυριό όπου κάποιος ενσωµατωµένος υπολογισµός δεν ελέγχει τις ηλεκτρικές συσκευές. Ενας ακόµα καίριος παράγοντας για την ανάπτυξη της Περιβαλλοντικής Νοηµοσύνης είναι η επικοινωνία. Θα πρέπει οι συσκευές να είναι σε ϑέση να συνεργάζονται και η πληροφορίες να µεταφέρονται εκεί που είναι α- παραίτητο για να σχηµατιστεί µια ολοκληρωµένη εικόνα του περιβάλλοντος. Η ενσύρµατη επικοινωνία είναι ακατάλληλη για τέτοιου είδους εφαρµογές. Ετσι η ασύρµατη επικοινωνία µεταξύ των ενσωµατωµένων συσκευών είναι αναπόφευκτη. 1

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Τα τελευταία χρόνια έχουν κάνει την εµφάνισή τους τα ασύρµατα δίκτυα αισθητήρων ή Wireless Sensor Networks(WSN), τα οποία πραγµατοποιούν ως ένα σηµείο το όραµα της Περιβαλλοντικής Νοηµοσύνης. Τα WSNs αποτελούνται από έναν µεγάλο αριθµό κόµβων. Οι κόµβοι αυτοί µπορούν να αλληλεπιδρούν µε το περιβάλλον, να επικοινωνούν ασύρµατα µεταξύ τους και να συνεργάζονται, ϕέροντας εις πέρας εργασίες που δε ϑα µπορούσε να ολοκληρώσει ένας µοναδικός κόµβος. Η δυνατότητα επικοινωνίας και συνεργασίας µεταξύ των κόµβων ανάγει τα WSNs σε ένα κατανεµηµένο σύστηµα.οι κόµβοι αποτελούνται τουλάχιστον από αισθητήρες, περιορισµένη υπολογιστική µονάδα, ασύρµατη µονάδα επικοινωνίας και λειτουργούν µε µπαταρία. Τα WSNs είναι πολύ ισχυρά µιας και µπορούν να υποστηρίξουν πολλές ε- ϕαρµογές του πραγµατικού κόσµου.εξαιτίας της ευελιξίας τους αυτής δεν υπάρχει ένα µοναδικό σύνολο απαιτήσεων που να καθορίζει επακριβώς όλα τα WSNs. Για παράδειγµα, σε πολλές εφαρµογές η διατήρηση ενέργειας είναι πολύτιµη. Συχνά, η χωρητικότητα της µπαταρίας είναι άµεσα συνυφασµένη µε το µέγεθος του κόµβου, ενώ η τιµή του έχει άµεσο αντίκτυπο στην ποιότητα των αισθητήρων του, επηρεάζοντας την ακρίβεια του αποτελέσµατος του. Γενικά, αν οι κόµβοι που είναι κοντά στο υπό παρατήρηση ϕαινόµενο είναι απλοί, αλλά σε µεγάλο αριθµό, µπορούν να κάνουν την αρχιτεκτονική του συστήµατος απλή και αποδοτικότερη ως προς τη διατήρηση της ενέργειας, καθώς διευκολύνουν την κατανεµηµένη δειγµατοληψία (ο εντοπισµός ενός αντικειµένου, για παράδειγµα, απαιτεί κατανεµηµένο σύστηµα). Τα WSNs διαφέρουν από τα παραδοσιακά δίκτυα, µιας και είναι δυναµικά µεταβαλλόµενα. Η εξάντληση των ενεργειακών πόρων έχει ως αποτέλεσµα την παύση της λειτουργίας κάποιων κόµβων ενώ, εξαιτίας του µικρού τους µεγέθους, κάποιοι µπορεί να καταστραφούν από εξωτερικούς παράγοντες. Ετσι, ίσως χρειαστεί η εισαγωγή νέων κόµβων στο δίκτυο. Για να να γίνει πιο κατανοητή η ευελιξία των WSNs ας δούµε κάποιες από τις εφαρµογές τους. 1.2 Εφαρµογές των ικτύων Αισθητήρων Η τεχνολογία των Ασύρµατων ικτύων Αισθητήρων µπορεί να εφαρµοστεί σε πολλές εφαρµογές του πραγµατικού κόσµου και να ϕέρει στην επιφάνεια κάποιες εντελώς καινούριες. Ενα κρίσιµο και πρωτεύον συστατικό των κόµβων των ασύρµατων δικτύων αισθητήρων είναι ο αισθητήρας. Για πολλές παραµέτρους του ϕυσικού περιβάλλοντος υπάρχει η κατάλληλη τεχνολογία αισθητήρα που µπορεί να ενσωµατωθεί σε ένα WSN. Οι πιο ευρέως χρησιµοποιούµενοι είναι οι αισθητήϱες ϑερµοκρασίας, υγρασίας, ήχου, πίεσης και οι χηµικοί αισθητήρες.

1.2. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 3 Μια σύντοµη λίστα µε τις πιο ϐασικές εφαρµογές παρουσιάζεται παρακάτω : Πρόληψη Καταστροφών. Μια από τις πιο συχνά αναφερόµενες ε- ϕαρµογές των WSNs είναι στην πρόληψη καταστροφών. Ενα τυπικό σενάριο για εφαρµογές αυτής της κατηγορίας είναι η ανίχνευση πυρκαγιών. Οι κόµβοι αισθητήρων είναι εξοπλισµένοι µε ϑερµόµετρα και µ- πορούν να υπολογίσουν τη ϑέση τους τρέχοντας κάποιον αλγόριθµο εντοπισµού ϑέσης (localization). Τους κόµβους αυτούς µπορούµε να τους απλώσουµε σε ένα δάσος, πετώντας τους από ένα αεροπλάνο. Ετσι σχη- µατίζεται ένας ϑερµοκρασιακός χάρτης της περιοχής και σε περίπτωση υψηλών ϑερµοκρασιών και χαµηλής υγρασίας που υπονοούν πυρκαγιά ενηµερώνουν τους πυροσβέστες. Ελεγχος του περιβάλλοντος και της ϐιοποικιλότητας. Τα WSNs µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να ελέγχουν το περιβάλλον ως προς τους χηµικούς ϱύπους ή ακόµα και για το σχηµατισµό µιας εικόνας ως προς τον αριθµό των διαφορετικών ειδών πανίδας και χλωρίδας µια περιοχής. Ευφυή Κτίρια. Τα µεγάλα κτίρια συχνά καταναλώνουν µεγάλα ποσά ενέργειας εξαιτίας λανθασµένης χρήσης των συσκευών Air Condtitioning (HVAC). Μια αποδοτικότερη, πραγµατικού-χρόνου και ακριβέστερη παρακολούθηση της ϑερµοκρασίας, της υγρασίας και άλλων παϱαµέτρων µπορεί να µειώσει την κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παρακολούθηση των µηχανικών καταπονήσεων σε κτίρια ή γέφυρες που ϐρίσκονται σε σεισµικά ενεργές Ϲώνες, ενώ άλλου τύπου αισθητήρες µπορούν χρησιµοποιηθούν για τον εντοπισ- µό εγκλωβισµένων ανθρώπων σε περιπτώσεις σεισµού. Οι αισθητήρες µποϱούν να τοποθετηθούν στα κτίρια τη στιγµή της κατασκευής τους ή αφού έχουν κατασκευαστεί. Σε αυτές τις εφαρµογές η εξοικονόµηση ενέργειας για τους αισθητήρες είναι πολύ σηµαντική απαίτηση. ιαχείριση Εγκαταστάσεων. Τα WSNs µπορούν να χρησιµοποιηθούν για εφαρµογές διαχείρισης µεγάλων εγκαταστάσεων, όπως ϑέµατα α- σφαλείας. Η είσοδος των ανθρώπων στις εγκαταστάσεις µπορεί να γίνεται χωρίς κλειδιά, αλλά µε τη χρήση κάποιου ποµπού, ενώ µπορούν να εντοπίζονται πιθανοί εισβολείς. Επίσης σε χηµικές εγκαταστάσεις τα WSNs ϑα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν για τον εντοπισµό διαρροών. Συντήρηση Μηχανών. Αισθητήρες µπορούν να τοποθετηθούν σε δυσπρόσιτα σηµεία µηχανών για να ελέγχουν τους κραδασµούς που υ- ποδεικνύουν ανάγκη για συντήρηση. Παραδείγµατα τέτοιων µηχανών είναι αυτόµατες µηχανές ή οι άξονες των τροχών των τρένων.

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Εφαρµογές στη Γεωργία. Η εφαρµογή WSNs σε καλλιεργήσιµες ε- κτάσεις µε τοποθέτηση αισθητήρων µέτρησης υγρασίας και ανάλυσης της σύστασης του εδάφους επιτρέπει την ακριβέστερη και αποδοτικότεϱη λίπανση και άρδευση των εκτάσεων. Επίσης, η εκτροφή Ϲώων µπορεί να ωφεληθεί τοποθετώντας αισθητήρες στα Ϲώα που ελέγχουν την κατάσταση της υγείας τους. Εφαρµογές στον τοµέα της υγείας. Η χρήση WSNs στον τοµέα της υγεία µπορεί να αποδειχτεί πολύ ωφέλιµη. Οµως υπάρχουν αρκεά ηθικά διλήµµατα πάνω στο ϑέµα αυτό.οι πιθανές εφαρµογές εκτείνονται από την άµεση τοποθέτηση αισθητήρων στον ίδιο τον ασθενή για την παρακολούθηση της υγείας του και ίσως αυτόµατη χορήγηση ϕαρµάκων, µέχρι την παρακολούθηση των ιατρών και των ασθενών στα νοσοκοµεία. Ευφυή οδικά συστήµατα. Στα ευφυή οδικά συστήµατα αισθητήρες τοποθετούνται στους δρόµους, ακόµα και στα κράσπεδα των δρόµων οι οποίοι συλλέγουν πληροφορίες για την κίνηση και την κατάσταση του οδικού δικτύου γενικότερα και επικοινωνούν µε τους οδηγούς δίνοντάς τους χρήσιµες πληροφορίες. Στρατιωτικές Εφαρµογές. Τα WSNs µπορούν να είναι ενιαίο και αναπόσπαστο τµήµα των στρατιωτικών συστηµάτων. Τα χαρακτηριστικά των WSNs, όπως είναι η γρήγορη τοποθέτηση τους, η αυτοοργάνωση και η ανοχή στα σφάλµατα, τα µετατρέπουν σε µια πολλά υποσχόµενη τεχνολογία για τα στρατιωτικά συστήµατα. Κάποιες από τις πιθανές στρατιωτικές εφαρµογές τους είναι η παρακολούθηση της κατάστασης των εξοπλισµών και των πολεµοφοδίων, η στενή παρακολούθηση του πεδίου της µάχης, η αναγνώριση των εχθρικών δυνάµεων, η εκτίµηση των καταστροφών µετά από µάχη καθώς και ο εντοπισµός και η αναγνώϱιση χηµικής, ατοµικής ή ϐιολογικής επίθεσης. 1.3 Παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασµό ενός δικτύου αισθητήρων Πολλοί είναι οι παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασµό ενός δικτύου αισθητήϱων. Οι παράγοντες αυτοί αποτελούν έναν οδηγό για τη δηµιουργία των πρωτοκόλλων και των αλγορίθµων που εφαρµόζονται στα δίκτυα αισθητήρων.

1.3. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΕΝΟΣ ΙΚΤΥΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 5 1.3.1 Ανοχή σε σφάλµατα Για ένα δίκτυο αισθητήρων, η πιθανότητα να σταµατήσει η λειτουργία κάποιων κόµβων λόγω καταστροφής ή εξάντλησης της ενέργειάς τους είναι πολύ µεγάλη. Το σφάλµα σε ένα κόµβο δε ϑα πρέπει να επηρεάζει τη συνολική λειτουργία του δικτύου. Εποµένως, η αξιοπιστία ή η ανοχή σε σφάλµατα ορίζεται ως η ικανότητα διατήρησης των λειτουργιών του δικτύου χωρίς διακοπές εξαιτίας αποτυχιών των κόµβων. Για να είναι ανεκτή η καταστροφή κάποιων κόµβων, η χρησιµοποίηση πλεοναζόντων κόµβων είναι απαραίτητη. Βεβαίως, όµως, τα επίπεδα της επιθυµητής αξιοπιστίας εξαρτώνται από την ίδια την εφαρµογή στην οποία χρησιµοποιείται το δίκτυο αισθητήρων. 1.3.2 Κλιµακωσιµότητα Ανάλογα µε την εφαρµογή, ένα δίκτυο αισθητήρων µπορεί να αποτελείται από ένα αριθµό κόµβων που ϕτάνει τις εκατοντάδες ή και τις χιλιάδες. Εποµένως, τα πρωτόκολλα και οι αρχιτεκτονικές που εφαρµόζονται ϑα πρέπει όχι µόνο να ανταπεξέλθονται σε διαφορετικούς αριθµούς κόµβων, αλλά και να αξιοποιούν την πυκνότητα του δικτύου. 1.3.3 Περιορισµοί του υλικού Οι κόµβοι ενός δικτύου αισθητήρων απαρτίζονται από τέσσερις ϐασικές µονάδες : µονάδα ανίχνευσης, µονάδα επεξεργασίας δεδοµένων, ποµποδέκτης και µονάδα πηγής ενέργειας. Επιπλέον, µπορεί να υπάρχουν και κάποιες άλλες µονάδες, όπως ένα σύστηµα εύρεσης τοποθεσίας, γεννήτρια ενέργειας και κινητήϱας. Η µονάδα ανίχνευσης αποτελείται από τον αισθητήρα και από έναν ADC ενώ η µονάδα επεξεργασίας συνδέεται µε µια µονάδα µνήµης. Ολες οι παραπάνω µονάδες πρέπει να τοποθετηθούν σε µια συσκευή µεγέθους που µπορεί να είναι µικρότερη και από ένα κυβικό εκατοστό. Το µικρό µεγέθος ϐάζει περιορισµούς και στην ενέργεια που µπορεί να αποθηκευτεί σε έναν κόµβο. Για παράδειγµα, σε έναν smart dust κόµβο η συνολική αποθηκευµένη ενέργεια είναι της τάξης του 1J. Ο χρόνος Ϲωής ενός κόµβου µπορεί να επιµηκυνθεί αντλώντας ενέργεια από το περιβάλλον του. Μια πιθανή τεχνική είναι η χρησιµοποίηση ϕωτοβολταϊκών στοιχείων για αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. Οι ποµποδέκτες είναι απαραίτητος εξοπλισµός των κόµβων αλλά και η κύρια πηγή κατανάλωσης ενέργειας. Συνήθως χρησιµοποιούνται ποµποδέκτες RF τεχνολογίας, αλλά µπορούν να χρησιµοποιηθούν και συσκευές οπτικής επικοινωνίας.

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Αν και η τεχνολογία στους µικροεπεξεργαστές έχει αναπτυχθεί τόσο ώστε να έχουν µεγαλύτερη υπολογιστική δύναµη σε µικρότερο µέγεθος, ωστόσο οι υπολογιστικές και οι δυνατότητες µνήµης που χρησιµοποιούνται στους κόµβους αισθητήρων δεν είναι πολύ µεγάλες. Για παράδειγµα, σε έναν κόµ- ϐο «έξυπνης σκόνης» η επεξεργαστική µονάδα είναι ένας 4MHz Atmel AVR 8535 µικροελεγκτής, µε 8 KB flash µνήµη, 512 bytes RAM και 512 bytes EEPROM. Το λειτουργικό σύστηµα που χρησιµοποιείται είναι το TinyOS. Η τυχαία τοποθέτηση των κόµβων αισθητήρων κάνει την χρήση ενός συστή- µατος εύρεσης της ακριβής τοποθεσίας του κόµβου απαραίτητη. Τα συστή- µατα αυτά απαιτούνται και από πολλούς αλγορίθµους δροµολόγησης. Σε πολλά δίκτυα αισθητήρων οι κόµβοι είναι εξοπλισµένοι µε ένα global positioning system (GPS). 1.3.4 Περιβάλλον Οι εφαρµογές των δικτύων αισθητήρων απαιτούν το στήσιµο των δικτύων σε οποιοδήποτε περιβάλλον. Οι συνθήκες που επικρατούν µπορεί να είναι ακραίες, όµως το δίκτυο ϑα πρέπει, ανεπιτήρητο, να λειτουργεί χωρίς διακοπές και µε τη µέγιστη ακρίβεια. Οι αισθητήρες µπορεί να λειτουργούν σε : Στο ϐυθό ενός ωκεανού Στο κέντρο ενός κυκλώνα Στο πεδίο µιας µάχης Σε µεγάλα κτίρια, σε σπίτια ή σε καταστήµατα 1.3.5 Κατανάλωση ενέργειας Οι κόµβοι των αισθητήρων είναι εξοπλισµένοι µε µια περιορισµένη πηγή ενέργειας, λόγω του µικρού µεγέθους τους. Στις περισσότερες εφαρµογές η αναπλήρωση των ενεργειακών πόρων είναι αδύνατη. Εποµένως, ο χρόνος Ϲωής ενός κόµβου σε ένα δίκτυο αισθητήρων και ως εκ τούτου και ο χρόνος Ϲωής του ίδιου του δικτύου, εξαρτάται άµεσα από τη διάρκεια Ϲωής των µπαταϱιών. Ετσι λοιπόν, η αποδοτική διαχείριση ενέργειας είναι πρωτεύοντος σηµασίας κατά το σχεδιασµό ενός αλγορίθµου ή πρωτοκόλλου για ένα δίκτυο αισθητήρων. Παρόλα αυτά, ο χρόνος Ϲωής ενός δικτύου έχει κάποια trade-offs σε σχέση µε την ποιότητα υπηρεσιών : καταναλώνοντας περισσότερη ενέργεια αυξάνεται η ακρίβεια των αποτελεσµάτων που παράγει ένας κόµβος, όµως µειώνεται ο

1.3. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΕΝΟΣ ΙΚΤΥΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 7 χρόνος Ϲωής του. Οι σχεδιαστές ϑα πρέπει να εξισορροπούν τους πεϱιοϱισµούς αυτούς και να σχεδιάζουν πρωτόκολλα που τους αντιµετωπίζουν µε το ϐέλτιστο τρόπο, ανάλογα ϐεβαίως και µε την εφαρµογή. Τρεις είναι οι τοµείς όπου καταναλώνεται το µεγαλύτερο µέρος της ενέργειας : η µονάδα ανίχνευσης, η µονάδα επικοινωνίας και η µονάδα επεξεργασίας των δεδοµένων. Μονάδα ανίχνευσης περιβάλλοντος Καθοριστικό ϱόλο στην κατανάλωση ενέργειας από τη µονάδα ανίχνευσης παίζει η πολυπλοκότητα της ανίχνευσης. Τα επίπεδα ϑορύβου από το περιβάλλον µπορούν να προκαλέσουν άυξηση της πολυπλοκότητας ανίχνευσης. Επιπλέον, η σποραδική παρακολούθηση του πεϱιϐάλλοντος απαιτεί λιγότερη ενέργεια από τη συνεχή επιτήρηση. Μονάδα επικοινωνίας Η αποστολή και λήψη δεδοµένων είναι οι πιο δαπανηρές ενέργειες που επιτελεί ένας κόµβος. Μάλιστα, κατά την αποστολή των µηνυµάτων το σήµα ϑα πρέπει να ενισχυθεί ώστε να έχουµε αξιόπιστη µετάδοση και να υπάρχουν όσο το δυνατόν λιγότερα σφάλµατα, τα οποία προκαλούνται από τον παρεµβάλλοντα ϑόρυβο και τις ανακλάσεις. Στον υπολογισµό της ενέργειας για την επικοινωνία πρέπει να συνυπολογιστεί και η ενέργεια που απαιτείται για την εκκίνηση του ποµποδέκτη. Μονάδα επεξεργασίας δεδοµένων Για την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που καταναλώνεται στη µονάδα επεξεργασίας δεδοµένων, οι επεξεργαστές παρέχουν καταστάσεις λειτουργίας που καταναλώνουν διαφορετικά ποσά ενέργειας. Ετσι, ανάλογα µε το ϕόρτο εργασίας οι επεξεργαστές µεταβαίνουν στις αντίστοιχες καταστάσεις, χωρίς να απαιτείται η συνεχής κανονική τους λειτουργία. 1.3.6 Κόστος παραγωγής Εφόσον ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από ένα µεγάλο αριθµό κόµβων, είναι σηµαντικό το κόστος του κόµβου να έχει την ελάχιστη δυνατή τιµή. Εχει τεθεί σαν στόχος η τιµή ενός κόµβου να ϕτάσει το 1 ευρώ. Ετσι, από τη στιγµή που ένας κόµβος αισθητήρα πρέπει να επιτελέσει ένα αρκετά µεγάλο αριθµό λειτουργιών, είναι ένα ενδιαφέρον (αλλά αρκετά δύσκολο) ϑέµα η επίτευξη της ελαχιστοποίησης της τιµής του.

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Σχήµα 1.1: Τα τµήµατα από τα οποία αποτελείται ένας αισθητήρας

Κεφάλαιο 2 Κίνηση στα ίκτυα Αισθητήϱων Πρόσφατα µία νέα κατηγορία εφαρµογών για ασύρµατα δίκτυα µικροαισθητήϱων έκανε την εµφάνισή της, στην οποία χαρακτηριστικό του υπό εξέταση συστήµατος είναι η κινητικότητα. Σε τέτοιου είδους εφαρµογές οι συσκευές ϐρίσκονται προσκολληµένες σε οντότητες όπως Ϲώα, ανθρώπους και οχήµατα που κινούνται σε µεγάλες γεωγραφικές περιοχές. Η ανταλλαγή πληροφοριών ανάµεσα σε τέτοιες κινούµενες συσκευές και τους κόµβους σταθερής υποδοµής ϑα δώσει ώθηση σε εφαρµογές όπως η παρακολούθηση αγρίων Ϲώων, παρακολούθηση κίνησης οχηµάτων, έξυπνες κατοικίες και έλεγχο περιβαλλοντικής µόλυνσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις δικτύων η συνήθης προσέγγιση όπου τα κέντρα ελέγχου είναι ακίνητα σε κάποια περιοχή του δικτύου δεν είναι αποδοτική. Μία νέα προσέγγιση αναπτύχθηκε εµπνευσµένη από τέτοιες εφαρµογές, προκειµένου να αντιµετωπιστούν τα προβλήµατα και να αναπτυχθούν νέες αποδοτικότερες τεχνικές διαχείρισής της κινητικότητας. Πλέον ο ϕόρτος της διάδοσης πληροφορίας µεταφέρεται από τις συσκευές αισθητήρων στο κέντρο ελέγχου. Η ϐασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σηµαντικά απο- ϑέµατα ενέργειας τα οποία µπορούν να αναπληρωθούν εύκολα, και µπορεί να κινηθεί αυτοδύναµα µέσα στη περιοχή που καλύπτει το δίκτυο. Κατά την περιήγησή του στο δίκτυο, το κέντρο ελέγχου ϐρίσκεται συνεχώς σε κοντινή απόσταση από ένα (συνήθως µικρό) υποσύνολο κόµβων. Εποµένως, η πληροφορία µπορεί να µεταδοθεί στο κέντρο ελέγχου από τους κοντινούς του κόµβους, µε χαµηλό κόστος ενέργειας αφού η µετάδοση γίνεται σε µικρή απόσταση. Με την περιήγηση σε ολόκληρη την περιοχή που εκτείνεται το δίκτυο, το κέντρο ελέγχου µπορεί να συλλέξει όλη τη διαθέσιµη πληροφορία. 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΚΙΝΗΣΗ ΣΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 2.1 Το κίνητρο για τη Χρήση Κίνησης σε Ασύρ- µατα ίκτυα Αισθητήρων Σε ένα πολύ συνηθισµένο σενάριο, ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από κόµβους οι οποίοι ανιχνεύουν γεγονότα από το τριγύρω περιβάλλον τους και χρησιµοποιώντας ένα αποδοτικό πρωτόκολλο δροµολόγησης, στέλνουν τα δεδοµένα που συνέλεξαν στο κέντρο ελέγχου. Σε αυτό το σενάριο, έχει παρατηρηθεί πως οι κόµβοι που ϐρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο ελέγχου, εξαντλούν πιο γρήγορα τα αποθέµατα ενέργειας που διαθέτουν. Οι κόµ- ϐοι αυτοί αναµεταδίδουν δεδοµένα από όλους τους υπόλοιπους κόµβους του δικτύου προς το κέντρο ελέγχου, καθώς επίσης και τα πακέτα από το κέντρο ελέγχου προς όλο το υπόλοιπο δίκτυο. Κατά συνέπεια, οι κόµβοι που είναι τοποθετηµένοι πιο κοντά στα κέντρα ελέγχου «πεθαίνουν» σύντοµα από την εξάντληση της ενέργειάς τους και ως αποτέλεσµα τα κέντρα ελέγχου αποσυνδέονται από το υπόλοιπο δίκτυο. Το πρόβληµα αυτό αναφέρεται ως το «πρόβληµα των γειτόνων του κέντρου ελέγχου». Οι συνέπειες του παραπάνω προβλήµατος απεικονίζονται στο σχήµα 2.1, το οποίο δείχνει τη µέση εναποµείνουσα ενέργεια των κόµβων όταν οι κόµβοι που ϐρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο ελέγχου πεθάνουν. Το σχήµα αυτό αναφέρεται σε δίκτυα µε 400 οµογενείς κόµβους τοποθετηµένους σε ένα 20 20 πλέγµα, µε τον καθένα να διαθέτει µικρή εµβέλεια µετάδοσης (25 m). Το ακίνητο κέντρο ελέγχου έχει (ϐέλτιστα) τοποθετηθεί στο κέντρο του δικτύου και οι κόµβοι περιοδικά τού στέλνουν πακέτα, χρησιµοποιώντας ένα πολυβηµατικό πρωτόκολλο δροµολόγησης, κοντινότερου µονοπατιού. Η εικόνα δείχνει µια ανόµοια κατανοµή στη µέση εναποµείνουσα ενέργεια των κόµβων (ποσοστιαία ως προς τα αρχικά αποθέµατα ενέργειάς τους) τη στιγµή που οι τέσσερις κόµβοι που στέλνουν δεδοµένα στο κέντρο ελέγχου πεθαίνουν, καθιστώντας το ανίκανο να λάβει άλλα δεδοµένα από το υπόλοιπο δίκτυο. Η αξιοσηµείωτα µεγάλες διαφορές ανάµεσα στις εναποµείνουσες ενέργειες οφείλονται στις διαφορετικές αποστάσεις του κάθε κόµβου από το κέντρο ελέγχου και γενικότερα, στο διαφορετικό αριθµό µονοπατιών προς το κέντρο ελέγχου στα οποία ανήκει ο κάθε κόµβος, κάτι που υποδεικνύει το διαφορετικό αριθµό πακέτων που αναµεταδίδει. Οι κόµβοι που ϐρίσκονται στο «σταυρό» µε κέντρο το κέντρο ελέγχου τείνουν να προτιµούνται για την αναµετάδοση των δεδοµένων. Οσο πιο κοντά ϐρίσκονται αυτοί οι κόµβοι στο κέντρο ελέγχου, τόσο µεγαλύτερος ο αριθµός των πακέτων που λαµβάνουν και στέλνουν και συνεπώς, τόσο περισσότερη η ενέργεια που καταναλώνουν. Αυτοί είναι οι κόµβοι µε τη λιγότερη εναποµείνουσα ενέργεια.

2.2. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 11 Σχήµα 2.1: Η εναποµείνουσα ενέργεια των αισθητήρων (%) 2.2 Πλεονεκτήµατα από τη Χρήση Κίνησης σε Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήρων Η ιδέα της κίνησης στα δίκτυα αισθητήρων δίνει σηµαντικές νέες δυνατότητες. Συγκεκριµένα, το κυριότερο πλεονέκτηµα από την ύπαρξη ενός ή περισσοτέρων κινητών κέντρων ελέγχου είναι η αύξηση του χρόνου Ϲωής του δικτύου. Οπως παρουσιάστηκε στην προηγούµενη παράγραφο, λόγω των πολλών από κόµβο σε κόµβο µεταδόσεων ξοδεύονται σηµαντικά ποσά ενέργειας, ενώ λόγω της στάσιµης τοποθέτησης του κέντρου ελέγχου, η περιοχή γύ- ϱω από αυτό δέχεται µεγάλο ϕόρτο εργασίας που οδηγεί στη εξάντληση των συσκευών και τη διακοπή της λειτουργίας του δικτύου. Ενα κινητό κέντρο ελέγχου µπορεί να µειώσει την απόστασή του από τις συσκευές, απαιτώντας έτσι λιγότερες µεταδόσεις για τη µεταφορά των δεδοµένων. Συνεπώς, εξοικονοµούνται σηµαντικά ποσά ενέργειας στις συσκευές. Από την άλλη, για τη µετακίνηση του κέντρου ελέγχου ξοδεύεται ενέργεια, όµως ϑεωρείται ότι η λειτουργικότητα του δικτύου δεν επηρεάζεται, αφού το κέντρο ελέγχου µπορεί να είναι κάποιο όχηµα που κατευθύνεται από ανθρώπους ή κάποιο αυτόµατο ϱοµπότ που περιοδικά επιστρέφει σε σταθµούς υποστήριξης για ανεφοδιασµό. Επίσης, ένα σηµαντικό όφελος των κινητών κέντρων ελέγχου είναι η δυνα-

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΚΙΝΗΣΗ ΣΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ τότητα για καλύτερο χειρισµό δικτύων µε χαµηλό αριθµό κόµβων που µπορεί να µην συνδέονται µεταξύ τους. Τα πρωτόκολλα δροµολόγησης πρέπει να είναι σε ϑέση να ανακαλύπτουν µονοπάτια από διαδοχικούς κόµβους γείτονες. Σε αραιά δίκτυα είναι πολύ πιθανόν να µην υπάρχει τέτοιο µονοπάτι προς κάποιους κόµβους. Το κινητό κέντρο ελέγχου µπορεί να γεφυρώσει τέτοια κενά και αυτό συνεπάγεται το γεγονός ότι µπορεί να µειωθεί ο αριθµός των κόµβων που πρέπει να απλωθούν σε µία περιοχή, µειώνοντας έτσι το λειτουργικό κόστος του δικτύου. Επιπλέον οι κόµβοι µπορούν να µειώσουν και την ισχύ εκποµπής τους στα αναγκαία επίπεδα για την επικοινωνία µε το κέντρο ελέγχου, µειώνοντας έτσι ακόµα περισσότερο την κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, το κινητό κέντρο ελέγχου µπορεί να παρακάµψει προβληµατικές περιοχές που ϐρίσκονται µέσα στην περιοχή ενδιαφέροντος, όπως είναι µικρές λίµνες, περιοχές µε πυκνή ϐλάστηση ή ανώµαλο έδαφος που εµποδίζουν την επικοινωνία. Στην περίπτωση των στατικών δικτύων απαιτούνται εξειδικευµένα πρωτόκολλα που ξοδεύουν πολύ ενέργεια για να παρακάµψουν τέτοιες προβληµατικές περιοχές, εποµένως η παρακολούθηση πιο τραχών περιοχών γίνεται ευκολότερη. Ενα ακόµα πλεονέκτηµα είναι το γεγονός ότι η επικοινωνία γίνεται πιο αξιόπιστη. Η µετάδοση από κόµβο σε κόµβο εµπεριέχει µία πιθανότητα εµ- ϕάνισης σφάλµατος σε κάθε µετάδοση. Η συνολική πιθανότητα εµφάνισης σφάλµατος στην επικοινωνία ανάµεσα σε δύο αποµακρυσµένους κόµβους, αυξάνεται αθροιστικά µε κάθε µετάδοση. Στην περίπτωση εµφάνισης σφάλ- µατος είτε ξαναµεταδίδονται τα δεδοµένα σπαταλώντας ενέργεια είτε χάνονται. Η µείωση του αριθµού µεταδόσεων που απαιτούνται στην περίπτωση του κινητού κέντρου ελέγχου ϐοηθά στην αποφυγή τέτοιων προβληµάτων. Επίσης, σε στρατιωτικές εφαρµογές και γενικότερα εφαρµογές που υπάρχουν ϑέµατα εµπιστευτικών δεδοµένων, γίνεται πιο δύσκολη η υποκλοπή τους. Στην περίπτωση του στατικού δικτύου, ο αντίπαλος µπορεί να υποκλέψει µεγάλο µέρος της πληροφορίας χρησιµοποιώντας συσκευές παρακολού- ϑησης ή καταλαµβάνοντας κόµβους σε στρατηγικά σηµεία. Με την µείωση του αριθµού µεταδόσεων και τη µείωση της απόστασης που διανύει η πληρο- ϕορία µόνο ένα πολύ µικρό µέρος της πληροφορίας γίνεται διαθέσιµο σε όλο το δίκτυο και εποµένως µειώνεται η ποσότητα των διαρροών πληροφορίας. 2.3 Νέες Προκλήσεις Νέες προκλήσεις ανακύπτουν όταν τίθεται σε εφαρµογή η ιδέα αυτή. Οταν µία περιοχή του δικτύου ϐρίσκεται µέσα στην εµβέλεια του κέντρου ελέγχου ϑεωρούµε ότι αυτή καλύφθηκε. Προφανώς, για να λειτουργήσει αποτελεσµατικά ένα δίκτυο µε κινητό κέντρο ελέγχου, πρέπει η κίνηση να γίνεται

2.4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 13 µε τέτοιο τρόπο ώστε σε σύντοµο χρονικό διάστηµα να καλύπτεται ολόκληρη η περιοχή που εκτείνεται το δίκτυο. Στην περίπτωση που κάποιες περιοχές δεν καλυφθούν, τότε η πληροφορία που έχουν συλλέξει οι συσκευές εκεί δεν παραδίδεται ποτέ. Επιπλέον, η ταχύτητα µε την οποία κινείται το κέντρο ελέγχου είναι πε- ϱιορισµένη και, κατά κανόνα, µικρότερη από την ταχύτητα µε την οποία γίνεται η διάδοση πληροφορίας από συσκευή σε συσκευή. Η κίνηση του κέντρου ελέγχου πρέπει να είναι τέτοια ώστε να µειώνεται ο χρόνος κάλυψης του δικτύου και κατά συνέπεια να µην παρατηρούνται σηµαντικές καθυστερήσεις στην συλλογή των δεδοµένων. Επιπρόσθετα, υπάρχουσες και εφαρµοσµένες τεχνικές και πρωτόκολλα για στατικά δίκτυα, δεν µπορούν να αποδώσουν στο δυναµικό περιβάλλον ενός δικτύου µε κινητικότητα. Θα πρέπει να τροποποιηθούν ή να αντικατασταϑούν από λύσεις ειδικά σχεδιασµένες για δίκτυα αισθητήρων όπου η κίνηση ϑεωρείται εγγενές χαρακτηριστικό του συστήµατος. 2.4 Εφαρµογές Κάποια παραδείγµατα εφαρµογών δικτύων αισθητήρων όπου η κίνηση είναι εγγενές χαρακτηριστικό είναι τα εξής : Υποθαλάσσια παρακολούθηση, όπως η ϐύθιση ενός δικτύου αισθητήρων σε έναν ωκεανό για την ανίχνευση συντριµµιών από συντριβές αεϱοσκα- ϕών. Στις περιπτώσεις αυτές, εκτός από κάποιους κινητούς αισθητήρες, το δίκτυο περιλαµβάνει αυτόνοµα υποθαλάσσια οχήµατα (autonomous underwater vehicles - AUV), τα οποία περιφέρονται µέσα στο δίκτυο για τη συλλογή των δεδοµένων. ίκτυα που υποστηρίζουν κινητές µικρής κλίµακας οµάδες ϱοµπότ που συνεργάζονται για την εκτέλεση µιας συνηθισµένης εργασίας. Καθώς εκτελούν τις λειτουργίες τους, τα ϱοµπότ ανταλλάσουν πληροφορίες ή στέλνουν τις µετρήσεις που έχουν συλλέξει σε αποµακρυσµένα κέντρα ελέγχου χρησιµοποιώντας το δίκτυο. ίκτυα αισθητήρων για τη συλλογή πληροφορίας σχετικά µε τη ϑέση κάποιου αντικειµένου/χρήστη/εξοπλισµού, όπως ο εντοπισµός αντικει- µένων ή οι άνθρωποι σε ένα νοσοκοµείο ή ακόµα κάποιο αντικείµενο σε µια αποθήκη, κτλ. Εφαρµογές υποβοήθησης της καθηµερινότητας ηλικιωµένων ανθρώπων, µέσω συστηµάτων ηλεκτρονικής υγείας (e-health), τα οποία αποτελούνται από αισθητήρες που µπορούν να ϕορεθούν, καθώς επίσης και

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΚΙΝΗΣΗ ΣΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ από τηλεϊατρικό εξοπλισµό, τεχνικές δικτύωσης του σπιτιού και «έξυπνους» χώρους που ϐασίζονται σε δίκτυα αισθητήρων. 2.5 Κινητές Οντότητες στα Ασύρµατα ίκτυα Αισθητήϱων 2.5.1 Κινητό Κέντρο Ελέγχου Η προσέγγιση του κινητού κέντρου ελέγχου είναι µια συνηθισµένη λύση για την εκµετάλλευση της κίνησης έτσι ώστε το κέντρο ελέγχου να ϕτάνει σε κοντινή απόσταση από τους κόµβους που ανιχνεύουν γεγονότα. Επίσης είναι µια εξαιρετική προσέγγιση για την επίτευξη µιας εξισορρόπησης ϕορτίου ανάµεσα στους κόµβους του δικτύου, όπως παρουσιάστηκε στις προηγούµενες υποενότητες. Ετσι, η χρήση ενός κινητού κέντρου ελέγχου συχνά προσφέρει µεγάλη ϐελτίωση στο χρόνο Ϲωής του δικτύου. Το κινούµενο κέντρο ελέγχου µπορεί να κινείται τυχαία [7, 5, 10], προ- ϐλέψιµα [17] ή ελεγχόµενα [8, 13]. Η τυχαία κίνηση ισοδυναµεί µε την περίπτωση όπου άνθρωποι έχουν «ϕοράνε» το κέντρο ελέγχου, το έχουν πάνω τους δηλαδή και κινούνται τυχαία συλλέγοντας της πληροφορίες από αισθητήϱες που έχουν τοποθετηθεί σε µια συγκεκριµένη περιοχή (όπως η αγορά για παράδειγµα). Προβλέψιµη µπορεί να είναι η κίνηση ενός λεωφορείου ή τρένου, ενώ ϱοµπότ µπορούν να κινούνται ελεγχόµενα για να εκτελέσουν ένα συγκεκριµένο έργο. Οι καθυστερήσεις στη µετάδοση των δεδοµένων είναι η κύρια αδυναµία των τυχαίων και των προβλέψιµων µοντέλων κίνησης. Στα µοντέλα αυτά, οι κόµβοι αφού ανιχνεύσουν τις πληροφορίες από το περιβάλλον τους, πρέπει να περιµένουν το κέντρο ελέγχου να εισέλθει στην εµβέλειά τους για να συλλέξει τα δεδοµένα. Ο χρόνος της αναµονής µπορεί να πάρει µεγάλες τιµές στις δύο αυτές προσεγγίσεις, προκαλώντας µεγάλες καθυστερήσεις στη µεταφορά των δεδοµένων. Συνεπώς, οι δύο αυτές προσεγγίσεις πιθανώς να είναι ακατάλληλες για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου. Χρησιµοποιώντας ελεγχόµενη κίνηση, συγκεκριµένοι αλγόριθµοι οδηγούν τις κινούµενες οντότητες κατά έναν επιθυµητό τρόπο, ξεπερνώντας το πρόβληµα της κα- ϑυστέρησης. Στη συγκεκριµένη περίπτωση το τίµηµα είναι το κόστος υ- λοποίησης (σε υλικό) των κέντρων ελέγχων. Επίσης, λαµβάνεται υπόψιν ένα ισχυρότερο µοντέλο (όπως καθολική γνώση του δικτύου), σε αντίθεση µε το αρκετά ασθενέστερο µοντέλο της τυχαίας κίνησης. Η προσέγγιση του κινητού κέντρου ελέγχου έχει αρκετά µειονεκτήµατα, όπως το γεγονός ότι όλοι οι κόµβοι ϑα πρέπει να γνωρίζουν τη ϑέση του, ώστε να δροµολογούν τα δεδοµένα προς αυτό. Επιπλέον, στις περισσότερες

2.5. ΚΙΝΗΤΕΣ ΟΝΤΟΤΗΤΕΣ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 15 περιπτώσεις, το κέντρο ελέγχου αποτελεί µια πύλη (gateway) σε ένα backbone δίκτυο ϑα είναι, λοιπόν, δύσκολο να κατασκευαστεί ένα δίκτυο όπου ένα κινητό κέντρο ελέγχου ϑα είναι συνέχεια συνδεδεµένο µε το backbone δίκτυο. 2.5.2 Κινητοί Αναµεταδότες Η χρήση κινητών κέντρων ελέγχου είναι πιο αποδοτική από τη χρήση κινητών ανεµεταδοτών, ιδιαίτερα ως προς το χρόνο Ϲωής του δικτύου, όµως οι αναµεταδότες είναι πιο ευεργετικοί σε εφαρµογές όπου δεν είναι δυνατό να χρησιµοποιηθεί κινητό κέντρο ελέγχου (για παράδειγµα αφιλόξενο έδαφος) [20]. Εισάγοντας κινητούς αναµεταδότες ως κόµβους µε άφθονους πόρους σε ένα ασύρµατο δίκτυο αισθητήρων, µπορεί να επιτευχθεί η επιµήκυνση του χρόνου Ϲωής των κόµβων που αποτελούν σηµείο συµφόρησης στο δίκτυο. Οι κινητοί αναµεταδότες µπορούν να κινούνται τυχαία, προβλέψιµα ή ντετερµινιστικά. 2.5.3 Κινητοί Αισθητήρες Ενώ οι κινήσεις των κέντρων ελέγχου και των αναµεταδοτών κυρίως ϐελτιώνουν το χρόνο Ϲωής του δικτύου, οι κινητοί κόµβοι, µέσω της ϱύθµισης της τοπολογίας του δικτύου, οδηγούν στη ϐελτίωση του ποσοστού κάλυψης του δικτύου, ενώ επιπλέον µπορούν να χρησιµοποιηθούν για ϐελτίωση της διαδικασίας ανίχνευσης. Με στόχο την όσο το δυνατόν καλύτερη εκπλήρωση των λειτουργιών επίβλεψης για τις οποίες σχεδιάστηκε ένα δίκτυο αισθητήρων, πρέπει να καλύψει το µεγαλύτερο µέρος της υπό παρατήρηση περιοχής όπου συµβαίνουν τα γεγονότα. Η λειτουργία αυτή µπορεί να πραγµατοποιηθεί µετακινώντας τους κόµβους των αισθητήρων προς επιθυµητές ϑέσεις. Κάτι τέτοιο είναι ιδιαιτέρως σηµαντικό όταν δεν είναι δυνατή η επανατοποθέτηση νέων αισθητήρων. Εξαιτίας των περιορισµένων αποθεµάτων ενέργειας σε κά- ϑε αισθητήρα, η κατανάλωση ενέργειας είναι σηµαντικό ϑέµα στο σχεδιασµό οποιοδήποτε πρωτοκόλλου για κινητούς κόµβους αισθητήρων. Εφόσον οι κινήσεις των κόµβων και η µεταφορά των δεδοµένων καταναλώνουν ενέργεια, ϑα πρέπει τα πρωτόκολλα που σχεδιάζονται να ελαχιστοποιούν τις µετακινήσεις και τα µηνύµατα που ανταλλάσσονται και παράλληλα να ικανοποιούν ένα ικανοποιητικό όριο κάλυψης του δικτύου.

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΚΙΝΗΣΗ ΣΤΑ ΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 2.6 Η Προσέγγισή µας Στην παρούσα εργασία προτείνεται η χρησιµοποίηση ενός ασθενούς µοντέλου µε ένα κινούµενο κέντρο ελέγχο σε ένα ασύρµατο δίκτυο αισθητήρων. Η κίνηση του κέντρου ελέγχου ϑα διακόπτεται από στάσεις στις υποπεριοχές του δικτύου, µε προσαρµοστικό χρόνο παύσης στην κάθε περιοχή, για τη συλλογή των δεδοµένων της περιοχής, έτσι ώστε κατά την κάλυψη του δικτύου να υπάρχει δικαιοσύνη στην εξυπηρέτηση όλων των κόµβων. Στόχος είναι η επίτευξη αποδοτικής, ως προς την κατανάλωση ενέργειας και την καθυστέρηση παράδοσης των µηνυµάτων, συλλογής δεδοµένων από το δίκτυο. Το κέντρο ελέγχου µπορεί να κινείται µε τυχαίο ή ντετερµινιστικό τρόπο. Οταν κινείται τυχαία, επιλέγει ευννοιοκρατικά την επόµενη περιοχή που ϑα επισκεφτεί, έτσι ώστε περιοχές που έχουν δεχτεί τις λιγότερες επισκέψεις να προτιµούνται. Οταν το κέντρο ελέγχου κινείται ντετερµινιστικά, ακολουθεί ένα συγκεκριµένο µονοπάτι, µε ϐάση το οποίο επισκέπτεται µε συγκεκριµένη σειρά τις υποπεριοχές του δικτύου, χωρίς να υπάρχουν επικαλύψεις. Και στις δύο περιπτώσεις κίνησης το κέντρο ελέγχου µπορεί να επικοινωνήσει άµεσα µε τους κόµβους που ανήκουν γεωγραφικά σε κάθε περιοχή. Εκτός από τους τρόπους διαπέρασης του δικτύου, η µέθοδος που προτείνεται αποφασίζει τοπικά το χρόνο παύσης που απαιτείται για την εξυπηϱέτηση της κάθε περιοχής, σύµφωνα µε κάποιες καθολικές παραµέτρους του δικτύου. Πιο συγκεκριµένα, αρχικά υπολογίζεται ένα ανώτατο όριο για το συνολικό διαθέσιµο χρόνο κατά τον οποίο το κέντρο ελέγχου µπορεί να είναι σταµατηµένο, µε ϐάση τα αρχικά αποθέµατα ενέργειας όλων των κόµβων και εποµένως, µε ϐάση τον αναµενόµενο χρόνο Ϲωής του δικτύου. Κατόπιν, ο συνολικός χρόνος παύσης µοιράζεται σε κάθε περιοχή, δίνοντας περισσότερο χρόνο στις περιοχές µε υψηλότερη πυκνότητα και κατά συνέπεια, µεγαλύτε- ϱη κίνηση πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται γρήγορη κάλυψη του δικτύου, καθώς επίσης και δικαιοσύνη στο χρόνο εξυπηρέτησης κάθε περιοχής.

Κεφάλαιο 3 Σχετική Βιβλιογραφία 3.1 Γενική Μελέτη για την Κίνηση στα ίκτυα Αισθητήρων Μία ενδιαφέρουσα ϑεωρητική µελέτη των ιδιοτήτων της κίνησης παρουσιάζεται στο [6]. Οι συγγραφείς προτείνουν και µελετούν µία παραλλαγή του τυχαίου περιπάτου σε γράφηµα. Συγκεκριµένα, ο αλγόριθµος επιλέγει τυχαία δύο γειτονικούς κόµβους ως υποψήφιες ϑέσεις προς µετακίνηση. Επειτα επιλέγει ντετερµινιστικά από τους δύο, αυτόν που έχει επισκεφθεί λιγότερες ϕορές. Μέσω προσοµοίωσης αποδεικνύεται ότι ο προτεινόµενος αλγόριθµος επιτυγχάνει κάλυψη ολόκληρου του γραφήµατος σε χρόνο, ασυµπτωτικά, µία τάξη µεγέθους µικρότερο σε σχέση µε τον απλό τυχαίο περίπατο. Στο [13], παρουσιάζεται µία εκτενής συζήτηση ϑεµάτων που αφορούν την κινητικότητα. Συγκεκριµένα, γίνεται µια λεπτοµερής παρουσίαση των πλεονεκτηµάτων που προσφέρει η χρήση ελεγχόµενης κίνησης σε δίκτυα αισθητήρων, χρησιµοποιώντας παραδείγµατα και απλές προσοµοιώσεις. Επιπλέον, γίνεται µια πειραµατική διερεύνηση σε ένα δίκτυο µικρής κλίµακας που αποτελείται από πέντε συσκευές και ένα ϱοµποτικό όχηµα που λειτουργεί σαν κέντρο ελέγχου. Το όχηµα κινείται µπρος-πίσω σε µία ευθύγραµµη τροχιά, ενώ οι συσκευές µεταδίδουν δεδοµένα συνεχώς. ιερευνώνται ϑέµατα όπως το αν η ταχύτητα του κέντρου ελέγχου και ο τρόπος επικοινωνίας των συσκευών επηρεάζουν, την αποδοτικότητα της συλλογής δεδοµένων. Επίσης, προτείνονται δύο αλγόριθµοι κίνησης για τη συλλογή δεδοµένων σε περιπτώσεις που υπάρχει περιορισµός στην καθυστέρηση παράδοσης των µηνυµάτων από τους αισθητήρες στο κέντρο ελέγχου. Με ϐάση τον πρώτο αλγόριθµο (Stop to collect data - SCD), το κέντρο ελέγχου κατά την κίνησή του, όταν ανακαλύπτει νέους αισθητήρες σταµατάει για ένα ορισµένο χρονικό διάστη- µα, ώστε να συλλέξει τα δεδοµένα τους. Για τον υπολογισµό του χρόνου 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΣΧΕΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ που ϑα παραµείνει ακίνητο χρησιµοποιεί τον παραπάνω περιορισµό κα- ϑυστέρησης. Ο δεύτερος αλγόριθµος που προτείνεται (Adaptive Speed Control) λαµβάνει υπόψη τα δεδοµένα που έχει να παραδώσει κάθε συσκευή και ανάλογα καθορίζει το χρόνο που παραµένει το κέντρο ελέγχου στην εµβέλειά της. Τέλος, στην ίδια εργασία προτείνεται ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας για την υποστήριξη της κίνησης στο δίκτυο, το οποίο ουσιαστικά αποτελεί µία επέκταση του Directed Diffusion. 3.2 Κίνηση ενός Κέντρου Ελέγχου Ενας αλγόριθµος κατάλληλος για δίκτυα µε ένα κινητό κέντρο ελέγχου προτείνεται στο [16]. Στόχος του αλγορίθµου είναι η µεγιστοποίηση του χρόνου Ϲωής του δικτύου, ελαχιστοποιώντας την ενέργεια που καταναλώνεται κατά την ασύρµατη επικοινωνία των κόµβων, καθώς επίσης και η ελαχιστοποίηση του αριθµού των πακέτων που χάνονται εξαιτίας της κίνησης του κέντρου ελέγχου, µε συνέπεια τη µείωση της αξιοπιστίας του αλγορίθµου. Στον αλγόριθµο αυτό, το κέντρο ελέγχου επισκέπτεται διαδοχικά προκαθορισµένα σηµεία ελέγχου και παραµένει για κάποιο χρονικό διάστηµα στο καθένα συλλέγοντας πληροφορία απ όλο το δίκτυο µε διάδοση από συσκευή σε συσκευή. Οση ώρα ϐρίσκεται σε κάποιο σηµείο ελέγχου, το κέντρο ελέγχου συγκεντρώνει στατιστικά στοιχεία για την ολική κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο. Επειτα από την πρώτη διάβαση απ όλα τα σηµεία ελέγχου υπολογίζεται νέος χρόνος παραµονής στο καθένα ή και παράληψη µερικών, προκειµένου να ελαχιστοποιηθεί και να εξισορροπηθεί η συνολική κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο. Για την ελαχιστοποίηση της απώλειας πακέτων, ο αλγόριθµος εκτελεί κάποιες επιπλέον λειτουργίες, όπως η ανίχνευση της απώλειας επικοινωνίας µε το κέντρο ελέγχου και η ενηµέρωση όλου του δικτύου για αλλαγές στην τοπολογία. Παρόλο που σε κάθε πέρασµα ο υπολογισµός επαναλαµβάνεται και το αποτέλεσµα ϐελτιώνεται, η ποιότητα της τελικής λύσης εξαρτάται από την αρχική επιλογή σηµείων ελέγχου. Ο αλγόριθµος προσοµοιώθηκε στον TOSSIM, σε δίκτυα όπου η τοπολογία που σχηµάτιζαν οι αισθητήρες ήταν είτε πλέγµα ή δακτύλιος. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι στις περισσότερες περιπτώσεις, το κινούµενο κέντρο ελέγχου ϐελτιώνει το χρόνο Ϲωής του δικτύου, µε µια µικρή αύξηση στην απώλεια πακέτων. Αντίστοιχο αποτέλεσµα επιχειρούν να πετύχουν οι συγγραφείς στο [18]. Αρχικά το κέντρο ελέγχου κινείται πάνω σε µία ευθεία που διατρέχει το δίκτυο. Μονοπάτια διάδοσης σχηµατίζονται προς αυτή την ευθεία και το κέντρο ελέγχου υπολογίζει το κόστος (σε ενέργεια) κάθε µονοπατιού. Μετά το πρώτο πέρασµα το κέντρο ελέγχου αποφασίζει να «σπάσει» την ευθεία σε

3.2. ΚΙΝΗΣΗ ΕΝΟΣ ΚΕΝΤΡΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ 19 δύο συνεχή ευθύγραµµα τµήµατα, που το κοινό τους σηµείο απέχει κάποια απόσταση από την αρχική ευθεία. Ετσι δηµιουργείται µία νέα τροχιά που δεν συµπίπτει µε την προηγούµενη και διέρχεται πιο κοντά από κάποιους κόµβους και πιο µακρυά από κάποιους άλλους. Η απόκλιση από την αρχική τροχιά υπολογίζεται µε ϐάση την αναµενόµενη εξοικονόµηση ενέργειας. Σε διαδοχικά περάσµατα τα ευθύγραµµα τµήµατα «σπάνε» σε νέα κοµµάτια ώστε διαρκώς να µειώνεται η συνολική κατανάλωση ενέργειας. Οι συγγραφείς δείχνουν ότι µετά από σχετικά µικρό αριθµό περασµάτων ο αλγόριθµος παράγει µία τροχιά που εξοικονοµεί σηµαντικά ποσά ενέργειας, ενώ δουλεύει αποτελεσµατικά και στην περίπτωση που υπάρχουν περιοχές του δικτύου χωρίς συσκευές. Οµως για να είναι αποτελεσµατικό το πρωτόκολλο, υποτίθεται ότι οι συσκευές γνωρίζουν την ακριβή ϑέση τους στο δίκτυο και τη µεταδίδουν µαζί µε άλλα στοιχεία για να υπολογίσει το κέντρο ελέγχου το κόστος των µονοπατιών. Στο [10] προτείνεται, επίσης η κίνηση του κέντρου ελέγχου ως µέθοδος για αποδοτική και εύρρωστη παράδοση δεδοµένων σε ασύρµατα δίκτυα αισθητήϱων. Στην εργασία αυτή ερευνώνται τέσσερα πρότυπα κίνησης για το κέντρο ελέγχου, τυχαία αλλά και προβλέψιµα. Καθένα από τα πρότυπα αυτά υποϑέτει και χρησιµοποιεί διαφορετικούς ϐαθµούς ελευθερίας, απλότητας και γνώσης του δικτύου. Τα τυχαία πρότυπα είναι (α) ο απλός τυχαίος περίπατος, όπου το κέντρο ελέγχου επιλέγει τυχαία την επόµενη ϑέση στην οποία ϑα µεταβεί, (ϐ) ο µερικά τυχαίος περίπατος, κατά τον οποίο δηµιουργείται έ- να νοητό επικαλυπτικό γράφηµα του δικτύου (πλέγµα) και το κέντρο ελέγχου µεταβαίνει τυχαία από κορυφή σε κορυφή του γραφήµατος, και (γ) ο ευννοιοκρατικός τυχαίος περίπατος, όπου, όπως προηγουµένως, δηµιουργείται ένα νοητό επικαλυπτικό γράφηµα (πλέγµα) και το κέντρο ελέγχου επιλέγει τυχαία σε ποια κορυφή ϑα µεταβεί, όµως η επιλογή του εξαρτάται από το ιστορικό των επισκέψεών του και από τοπικές παραµέτρους (πυκνότητα). Στο προβλέψιµο µοντέλο το κέντρο ελέγχου ακολουθεί είτε ευθύγραµµη ή κυκλική τροχιά, οι οποίες είναι προαποφασισµένες. Για τη συλλογή των δεδοµένων από τους αισθητήρες, η κίνηση του κέντρου ελέγχου συνδυάζεται µε τρεις στρατηγικές συλλογής δεδοµένων: παθητική, πολυβηµατική και περιορισµένη πολυβηµατική. Κάθε προσέγγιση έχει διαφορετικά πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα και επιτυγχάνει διαφορετικά trade-off, κυρίως ανάµεσα στην κατανάλωση ενέργειας και την αποδοτικότητα ως προς το χρόνο. Οι συγγραφείς µελετούν διάφορες µετρικές απόδοσης µέσω µιας λεπτοµερούς, µεγάλης κλίµακας προσοµοίωσης. Τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι το κινητό κέντρο ελέγχου παρατείνει κατά πολύ το χρόνο Ϲωής του δικτύου, αφού η κατανάλωση ενέργειας πέφτει, ενώ το ποσοστό επιτυχών παραδόσεων ϐελτιώνεται (ακόµα και µε περιορισµένη κίνηση).

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΣΧΕΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 3.3 Πολλαπλά Κινητά Κέντρα Ελέγχου Η εργασία [15] είναι από τις πρώτες προσπάθειες όπου χρησιµοποιούνται πολλαπλά κινητά κέντρα ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων. Οι συγγραφείς προτείνουν τρία πρωτόκολλα, τα οποία αποτελούνται από το πρότυπο κίνησης του κέντρου ελέγχου και από την κατάλληλη µέθοδο συλλογής δεδοµένων. Τα πρότυπα κίνησης είναι τυχαία. Εκτός από τον απλό τυχαίο περίπατο, προτείνεται επίσης ένας συνδυασµός τυχαίου περιπάτου και ντετερµινιστικού ευννοιοκρατικού περιπάτου που επιχειρεί να ισοκατανείµει τα κινητά κέντρα ελέγχου σε όλη την περιοχή που καλύπτει το δίκτυο. Πιο συγκεκριµένα : (α) το πρώτο πρωτόκολλο εισάγει πολλαπλά κινητά κέντρα ελέγχου το ϐασικό του πλεονέκτηµα είναι η σηµαντική µείωση της καθυστέρησης παράδοσης των µηνυµάτων, ακόµα και όταν τα κέντρα ελέγχου είναι λίγα, ενώ και η κατανάλωση ενέργειας είναι χαµηλή. (ϐ) Το δεύτερο πρωτόκολλο εισάγει µια πιο δυναµική στρατηγική συλλογής δεδοµένων και χρησιµοποιεί έναν συνδυασµό από στατικά και κινητά κέντρα ελέγχου. Και αυτό το πρωτόκολλο δίνει σηµαντικά οφέλη για την καθυστέρηση και για το ποσοστό των επιτυχών παραδόσεων, ακόµα και όταν το ποσοστό των κινητών κέντρων ελέγχου είναι µικρό. (γ) Το τρίτο και τελευταίο πρωτόκολλο ϐασίζεται στο δεύτερο µε ένα επιπλέον στοιχείο, µε ένα µικρό συντονισµό των κινητών κέντρων ελέγχου, έτσι ώστε να µην έχουν επικαλυπτόµενες τροχιές. Στην εργασία αυτή, η συλλογή των δεδοµένων πραγµατοποιείται µε δύο δια- ϕοϱετικές στρατηγικές : παθητική µε άµεση επικοινωνία και περιορισµένη πολυβηµατική. Στο [11] πολλά κινητά κέντρα ελέγχου κινούνται σε παράλληλες ευθύγραµµες τροχιές που ισαπέχουν µεταξύ τους. Κάτω από την υπόθεση ότι υπάρχουν αρκετά κέντρα ελέγχου ώστε κάθε κόµβος να ϐρίσκεται στην εµ- ϐέλεια ενός ή δύο κέντρων ελέγχου, προτείνουν έναν αλγόριθµο που εξισορ- ϱοπεί το ϕόρτο ανάµεσα στα κέντρα ελέγχου. Ο αλγόριθµος µοιράζει τους κόµβους που ϐρίσκονται στην εµβέλεια δύο κέντρων ελέγχου, ώστε τελικά κάθε κέντρο ελέγχου να εξυπηρετεί περίπου τον ίδιο αριθµό κόµβων.στην πειραµατική αξιολόγηση που διεξάγεται ϕαίνεται ότι τέτοιες ίσες αναθέσεις πετυχαίνουν και το µεγαλύτερο ϱυθµό παράδοσης δεδοµένων. Παρόλα τα ενδιαφέροντα αποτελέσµατα, η υπόθεση ότι υπάρχουν αρκετά κέντρα ελέγχου, περιορίζει την εφαρµογή τέτοιων τεχνικών σε µικρά δίκτυα, ενώ ο αλγόριθµος εξισορρόπησης υποθέτει ότι τα δεδοµένα παράγονται µε τον ίδιο ϱυθµό σε κάθε συσκευή, κάτι που δεν ισχύει συνήθως.

3.4. ΚΙΝΗΤΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 21 3.4 Κινητοί Αισθητήρες Στο [14] παρουσιάζεται µια προσέγγιση για δίκτυα όπου οι αισθητήρες κινούνται µια ποικίλους τρόπους (ως προς την ταχύτητα, την απόσταση που διανύουν, κτλ), ενώ είναι σε ϑέση να γνωρίζουν την ακριβή τους ϑέση κά- ϑε χρονική στιγµή. Η διάδοση των δεδοµένων γίνεται µε προσαρµοστικά πρωτόκολλα που χρησιµοποιούν το «επίπεδο κινητικότητας» των αισθητήρων, το οποίο καθορίζεται σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά της κίνησης (για πα- ϱάδειγµα, κόµβοι που έχουν υψηλότερη ταχύτητα και τείνουν να καλύπτουν µεγαλύτερες περιοχές, έχουν υψηλότερο επίπεδο κινητικότητας, ενώ αντίθετα κόµβοι που κινούνται πιο αργά και συνήθως στην ίδια πάνω κάτω περιοχή, έχουν χαµηλότερο επίπεδο κινητικότητας). Η προσέγγιση αυτή εκµεταλλεύεται την υψηλή κινητικότητα, εφόσον οι αισθητήρες, δυναµικά, διαδίδουν λιγότερα δεδοµένα όταν υπάρχει υψηλή κινητικότητα, ενώ αισθητήρες µε υψηλή κινητικότητα προτιµούνται για να µεταφέρουν τα δεδοµένα από ένα σηµείο του δικτύου σε ένα άλλο, ώστε να ϕτάσουν στο κέντρο ελέγχου. Για να αυξηθεί η πιθανότητα παράδοσης ενός µηνύµατος και επιπλέον, να µειω- ϑεί η καθυστέρηση της παράδοσης, τα µηνύµατα στέλνονται σε πολλαπλούς γειτονικούς κόµβους. Αν οι κόµβοι κινούνται αργά, ϑα πρέπει να επιλέξουν µεγαλύτερο αριθµό κόµβων στους οποίους ϑα µεταδόσουν τα µηνύµατά τους και το αντίθετο. Επιπλέον, ο τρόπος που διαδίδονται τα δεδοµένα έχει ε- µπλουτιστεί µε ένα µηχανισµό που είναι ευαίσθητος ως προς την απόσταση που διανύουν τα µηνύµατα και που αποτρέπει την πληµµύρα µηνυµάτων στο δίκτυο, µε την έννοια ότι η πιθανότητα προώθησης ενός µηνύµατος πέφτει κα- ϑώς αυξάνεται το επίπεδο κινητικότητάς των κόµβων και καθώς η απόσταση από τον προορισµό µειώνεται. Μία άλλη έρευνα όπου οι αισθητήρες κινούνται είναι η [12]. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται µία µελέτη εφαρµογών δικτύων οµοτίµων σε κινητά ασύρµατα δίκτυα µικροαισθητήρων. Στόχος είναι η παρακολούθηση των κινήσεων ενός κοπαδιού από Ϲέβρες, µια πιλοτική εφαρµογή µε σηµαντικές προεκτάσεις για την έρευνα στη ϐιολογία. Στην περίπτωση αυτή οι κόµβοι αισθητήρων είναι οι Ϲέβρες και το κέντρο ελέγχου είναι επίσης κινητό, αφού ϐρίσκεται πάνω σε κάποιο όχηµα. Αν η διάδοση των δεδοµένων πραγµατοποιούνταν εφαρµόζοντας πληµµύρα, τότε ο αριθµός των επιτυχών παραδόσεων πακέτων ϑα ήταν πολύ µεγάλος. Κάτι τέτοιο όµως, απαιτεί µεγάλο εύρος Ϲώνης και υψηλά ποσοστά κατανάλωσης ενέργειας. Για το λόγο αυτό, οι συγγραφείς ανέπτυξαν ένα πιο αποδοτικό πρωτόκολλο, στο οποίο υποθέτουν απλά µοντέλα κίνησης που διαφοροποιούν την ταχύτητα των κόµβων σε τρεις στάθµες. Σύµφωνα µε το πρωτόκολλο αυτό, η διάδοση των δεδοµένων ϐασίζεται στην διατήρηση ιστορικού επισκέψεων στο κέντρο ελέγχου, υποθέτοντας ότι οι κόµβοι που έχουν επισκεφθεί το κέντρο ελέγχου πολλές

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΣΧΕΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ϕορές είναι πιο πιθανό να το ξαναεπισκεπτούν, εποµένως προτιµούνται για να µεταφέρουν δεδοµένα. Η διάδοση των δεδοµένων γίνεται µε πλεονασµό, δηλαδή τα ίδια δεδοµένα προωθούνται σε διαφορετικούς γείτονες προκειµένου να αυξηθεί πιθανότητα παράδοσής τους. Παρόλο που ο αλγόριθµος έχει καλύτερη απόδοση από την πληµµύρα, στην περίπτωση που υπάρχει µεγάλη κινητικότητα στο δίκτυο το ποσοστό επιτυχών παραδόσεων µηνυµάτων µπορεί να µειωθεί, εξαιτίας του γεγονότος ότι τα περισσότερα δεδοµένα στέλνονται σε κόµβους που πιθανόν να µη ϐρίσκονται πλέον ή να µη ϐρεθούν σύντοµα κοντά στο κέντρο ελέγχου. Ενα απλό και αποδοτικό σχήµα διάδοσης δεδοµένων, για ένα ειδικού τύπου κινητό δίκτυο αισθητήρων, που ονοµάζεται DFT-MSN (Delay-Fault Tolerant Mobile Sensor Network) (Ανεκτό στα Σφάλµατα και στις Καθυστερήσεις Κινητό ίκτυο Αισθητήρων) και που ϐασίζεται στη πιθανότητα παράδοσης των µηνυµάτων και στην ανεκτικότητα στις αποτυχίες, όπως υποδηλώνει και η ονοµασία του, παρουσιάζεται στο [21]. Το DFT-MSN έχει διάφορα χα- ϱακτηϱιστικά, όπως η κίνηση των αισθητήρων, η ασθενής συνεκτικότητα, η ανεκτικότητα στις αποτυχίες, η ανεκτικότητα στις καθυστερήσεις και ο περιορισµένος χώρος αποθήκευσης δεδοµένων. Στο πρωτόκολλο, η απόφαση για το πότε και το πού ϑα µεταδοθούν τα δεδοµένα ϐασίζεται στην πιθανότητα παράδοσής τους, ενώ η πιθανότητα για το ποια µηνύµατα ϑα πρέπει να α- ποσταλούν και ποια να απορριφθούν ϐασίζεται στην ανεκτικότητα απωλειών. Ως ανεκτικότητα απώλειας ενός µηνύµατος ορίζεται η πιθανότητα πως ένα τουλάχιστον αντίγραφο του µηνύµατος παραδίδεται στο κέντρο ελέγχου από άλλους αισθητήρες του δικτύου ή σύµφωνα µε τον αριθµό ϐηµάτων του µηνύµατος. Οταν δηµιουργείται ένα µήνυµα η ανεκτικότητά του αρχικοποιείται στην τιµή µηδέν, συνεπώς τα µηνύµατα µε τη µικρότερη ανεκτικότητα ϑεωρούνται πιο σηµαντικά και µεταδίδονται µε µεγαλύτερη προτεραιότητα. Η απόφαση για την διάδοση των δεδοµένων εξαρτάται από την πιθανότητα παράδοσης των µηνυµάτων. Αρχικά, οι κόµβοι µαθαίνουν τις πιθανότητες παράδοσης των µηνυµάτων των γειτονικών τους κόµβων και τους διαθέσι- µους χώρους αποθήκευσης µέσω απλών µηνυµάτων χειραψίας, το µήνυµα στέλνεται σε ένα σύνολο γειτόνων µε τις υψηλότερες πιθανότητες παράδοσης.

Κεφάλαιο 4 Προτεινόµενα Πρωτόκολλα Ελέγχου της Κίνησης ενός Κέντρου Ελέγχου Οπως αναφέρθηκε στα προηγούµενα κεφάλαια, η εισαγωγή της κίνησης ως εγγενές χαρακτηριστικό στα δίκτυα αισθητήρων, εκτός από τις δυνατότητες που προσφέρει, εισάγει και κάποια προβλήµατα που δεν υπήρχαν στην πε- ϱίπτωση των στατικών δικτύων αισθητήρων. Ενα από τα ϐασικά προβλήµατα είναι η αυξηµένη καθυστέρηση στην παράδοση των δεδοµένων στο κέντρο ελέγχου. Για παράδειγµα, στην πεϱίπτωση όπου υπάρχει ένα κινητό κέντρο ελέγχου, ϑα πρέπει η κίνησή του να είναι η ϐέλτιστη έτσι ώστε να συλλέξει σε µικρό χρονικό διάστηµα όλα τα δεδοµένα του δικτύου. Το πρόβληµα εµφανίζεται όταν υπάρχουν περιοχές του δικτύου όπου είτε η πυκνότητα είναι πολύ υψηλή είτε οι κόµβοι αισθητήρων που ϐρίσκονται εκεί έχουν συγκεντρώσει µεγάλη ποσότητα πληροφορίας. Αν η κίνηση του κέντρου ελέγχου είναι συνεχής, τότε ο χρόνος επικοινωνίας µε τους κόµβους στις συγκεκριµένες περιοχές δεν είναι αρκετός για την α- ποστολή όλων των δεδοµένων, εποµένως οι κόµβοι ϑα πρέπει να περιµένουν την επιστροφή του κέντρου ελέγχου για να του στείλουν όση πληροφορία έ- χει αποµείνει. Το αποτέλεσµα στην περίπτωση αυτή ϑα είναι η αυξηµένη καθυστέρηση στην παράδοση των δεδοµένων και πιθανώς η απώλεια πληρο- ϕορίας, αν ο χώρος αποθήκευσης των κόµβων είναι περιορισµένος. Το παραπάνω πρόβληµα µπορεί να περιοριστεί αν το κέντρο ελέγχου στα- µατάει για κάποιο χρονικό διάστηµα καθώς κινείται, έτσι ώστε να συλλέξει όλα τα δεδοµένα. Στο παρόν κεφάλαιο ϑα παρουσιαστούν κάποιες στρατηγικές κίνησης του κέντρου ελέγχου που ακολουθούν αυτή την προσέγγιση. Πιο συγκεκριµένα, το κέντρο ελέγχου διασχίζει το δίκτυο µε τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνει δίκαιη και ισορροπηµένη εξυπηρέτηση όλων των κόµβων. Η 23

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ κίνηση αποτελείται από επισκέψεις σε όλες τις υποπεριοχές ακολουθιακά, µε κάποιο κατάλληλο χρόνο παύσης σε καθεµιά από αυτές. 4.1 Το Μοντέλο του ικτύου Η περιοχή του δικτύου αισθητήρων A είναι µια επίπεδη τετράγωνη περιοχή µεγέθους D D. Οι ϑέσεις των κόµβων αισθητήρων είναι τυχαίες και στη γενική περίπτωση ακολουθούν οµοιόµορφη κατανοµή. Θα είναι n ο αϱιθ- µός των αισθητήρων που έχουν απλωθεί στην περιοχή του δικτύου και d η πυκνότητα των αισθητήρων σε όλο το δίκτυο (συνήθως µετριέται σε αριθµό κόµβων/m 2 ). Σε αρκετές σηµαντικές εφαρµογές, ωστόσο, οι χειριστές του δικτύου τοποθετούν περισσότερους αισθητήρες σε περιοχές όπου απαιτείται πιο ακριβής παρακολούθηση. Τα σενάρια αυτά µοντελοποιούνται υποθέτοντας P n «ϑύλακες» (ή αλλιώς pockets ), που είναι περιοχές µε µεγάλη πυκνότητα αισθητήρων. Για χάριν ευκολίας, κάθε ϑύλακας είναι µια κυκλική περιοχή ακτίνας r P, οι ϑύλακες δεν αλληλοκαλύπτονται και η πυκνότητα σε αυτές τις περιοχές είναι d P. Η πυκνότητα του υπόλοιπου δικτύου έχει τιµή d n. Με A P = πr 2 P P n δηλώνουµε την επιφάνεια που καλύπτουν οι ϑύλακες. Αν n P είναι ο αριθµός των αισθητήρων µέσα στους ϑύλακες, ισχύει ότι n P = d P A P. Οµοίως, ο αριθµός των αισθητήρων στο υπόλοιπο δίκτυο ϑα είναι n n = d n (A A P ) και εποµένως, ο συνολικός αριθµός αισθητήρων ϑα είναι n = n P + n n. Οι αισθητήρες στο συγκεκριµένο µοντέλο είναι στατικοί, δεν κινούνται. Οι συσκευές αυτές διαθέτουν εξειδικευµένα κυκλώµατα για την καταγραφή διάφορων µεγεθών όπως των περιβαλλοντικών συνθηκών (πχ ϑερµοκρασία, ϕωτεινότητα, ένταση µαγνητικού πεδίου), ανίχνευση γεγονότων (πχ κίνηση, παρουσία χηµικών ενώσεων) ακόµα και επιτήρησης του χώρου (λήψη εικόνων και καταγραφή ϑορύβων). Κάθε συσκευή διαθέτει επεξεργαστή µε πε- ϱιορισµένη υπολογιστική ισχύ, ένα κύκλωµα ασύρµατης επικοινωνίας που χαρακτηρίζεται από την εµβέλειά του R και µία αυτόνοµη, ενσωµατωµένη στις συσκευές πηγή ενέργειας η οποία κατά κανόνα είναι περιορισµένης διάρκειας. Επίσης, κάθε αισθητήρας διαθέτει µνήµη αποθήκευσης γενικού σκοπού (πχ FLASH) µεγέθους C. Με E i συµβολίζουµε τα αρχικά αποθέµατα ενέργειας του αισθητήρα i. Σε κάθε χρονική στιγµή, κάθε αισθητήρας καταναλώνει ενέργεια σε τρεις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας : α) κατά την αποστολή ενός µηνύµατος, ϐ) κατά τη λήψη ενός µηνύµατος και γ) κατά την ανίχνευση γεγονότων. Στο συγκεκριµένο µοντέλο, κατά τη µετάδοση και λήψη ενός µηνύµατος ο αισθητήρας καταναλώνει ποσότητα ενέργειας που είναι ανάλογη µε το µέγε- ϑος του µηνύµατος για την αποστολή ενός k-bit µηνύµατος, ϑα καταναλωθεί

4.2. Η ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ 25 E T (k) = ɛ trans k ενέργεια και για τη λήψη ϑα καταναλωθεί E R (k) = ɛ recv k ενέργεια, µε ɛ trans, ɛ recv να είναι κάποιες σταθερές που εξαρτώνται από τη συσκευή του αισθητήρα και την ακτίνα µετάδοσης R. Στην κατάσταση κατά την οποία ο αισθητήρας ϐρίσκεται σε αδράνεια, η ενέργεια που καταναλώνει είναι σταθερή και ίση µε eidle. Το κέντρο ελέγχου S στο συγκεκριµένο µοντέλο κινείται µέσα στην περιοχή του δικτύου. Το κέντρο ελέγχου δεν έχει περιορισµούς διαθέτει σηµαντικές υπολογιστικές και αποθηκευτικές δυνατότητες και πρακτικά ανεξάντλητη (για τα σενάρια που παρουσιάζονται εδώ) πηγή ενέργειας. Επιπλέον, µπορεί να προσδιορίσει µε ακρίβεια τη ϑέση του (χρήσιµοποιώντας κάποιον εξοπλισµό πλοήγησης, πχ GPS) και γνωρίζει τις διαστάσεις και τα όρια του δικτύου. Η κίνηση του κέντρου ελέγχου καθορίζεται από µια υψηλού επιπέδου συνάρτηση κίνησης M. Αν είναι p t η ϑέση του κέντρου ελέγχου µια δεδοµένη χρονική στιγµή, τότε η M(p t ) ϑα επιστρέψει τη νέα ϑέση p t+1 προς την οποία ϑα πρέπει να κινηθεί το κέντρο ελέγχου. Ετσι, το µονοπάτι που ακολου- ϑεί είναι µια σειρά σηµείων p 0, p 1 = M(p 0 ), p 2 = M(p 1 ),..., p t = M(p t 1 ). Επιπλέον, η συνάρτηση M καθορίζει την ταχύτητα της κίνησης. Ο πραγ- µατικός µηχανισµός που υλοποιεί την κίνηση, δεν αφορά την παρούσα εργασία, ϑα µποϱούσε να είναι ένας άνθρωπος οδηγός ή ένα αυτόµατο σύστηµα πλοήγησης. Επιπλέον, απλοποιούµε ακόµα περισσότερο το µοντέλο µας, υ- ποϑέτοντας ότι όλες οι αλλαγές σε διεύθυνση και ταχύτητα γίνονται στιγµιαία. Τέλος, υποθέτουµε ότι µια συγκεκριµένη, υψηλού επιπέδου, εφαρµογή εκτελείται από τα σωµατίδια που απαρτίζουν το δίκτυο. Τα γεγονότα για τα οποία «ενδιαφέρεται» η εφαρµογή, πραγµατοποιούνται σε όλη τη περιοχή του δικτύου, ενώ κάθε γεγονός «συλλαµβάνεται» από ένα µόνο αισθητήρα, που δηµιουργεί ένα µήνυµα προκειµένου να διαδοθεί η πληροφορία στο κέντρο ελέγχου. Η εφαρµογή χαρακτηρίζεται από την ποσότητα λ, που εκφράζει τον ϱυθµό παραγωγής µηνυµάτων σε κάθε αισθητήρα i του δικτύου αισθητήρων, που µετράται σε αριθµό µηνυµάτων ανά χρονικό διάστηµα. 4.2 Η Συλλογή των εδοµένων 4.2.1 ιαπερνώντας το ίκτυο Κατά τη διάρκεια της αρχικοποίησης του δικτύου, το κέντρο ελέγχου εκτελεί µια ϕάση δηµιουργίας ενός γραφήµατος. Η περιοχή του δικτύου διαιρείται σε j j ίσης επιφάνειας τετράγωνες υποπεριοχές, που ονοµάζονται «κελιά». Το κέντρο κάθε κελιού ϑεωρείται ως η κορυφή ενός γράφου και συνδέεται µε ακµή µόνο µε τις τέσσερις κορυφές που αντιστοιχούν σε γειτονικά κελιά. Ετσι σχηµατίζεται ένα πλέγµα G o = G(V, E), το οποίο επικαλύπτει την περιοχή

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ Σχήµα 4.1: Παράδειγµα επικαλυπτικού γραφήµατος G o του δικτύου, όπως ϕαίνεται στο σχήµα 4.1. Αν ϑέσουµε j = D/ 2R, τότε όταν το κέντρο ελέγχου ϐρεθεί στο κέντρο ενός κελιού ϑα είναι δυνατή η άµεση επικοινωνία µε όλους τους αισθητήρες που ϐρίσκονται στο κελί, µιας και όλοι οι αισθητήρες ϑα ϐρίσκονται εντός της εµβέλειας του κέντρου ελέγχου (ϐλ. σχήµα 4.2). Εφαρµόζοντας τον περίπατο του κέντρου ελέγχου µόνο πάνω στο επικαλυπτικό γράφηµα, µπορούν επιτευχθούν πιο εύκολα κάποιες ϐελτιστοποιήσεις. Επιπλέον, οι στρατηγικές κίνησης που ϑα παρουσιαστούν αργότερα µπορούν να εφαρµοστούν σε περιοχές µε τυχαίες τοπολογίες και σχήµατα, εφόσον όλες οι περιοχές αφαιρετικοποιούνται µε ένα επικαλυπτικό γράφηµα. Η αρχική ϑέση του κέντρου ελέγχου είναι κάποια από τις κορυφές του γραφήµατος. Στην παρούσα εργασία ϑα παρουσιαστούν δύο τρόποι για την κίνηση του κέντρου ελέγχου πάνω στο επικαλυπτικό γράφηµα G o : α) ντετερµινιστικός περίπατος και ϐ) ευννοιοκρατικός τυχαίος περίπατος. Ντετερµινιστικός Περίπατος Με στόχο την κάλυψη ολόκληρης της επιφάνειας του δικτύου, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένας ντετερµινιστικός περίπατος που εκτείνεται σε όλο το

4.2. Η ΣΥΛΛΟΓΗ ΤΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ 27 Σχήµα 4.2: Άµεση επικοινωνία κέντρου ελέγχου µε τους αισθητήρες ενός κελιού δίκτυο. Το κέντρο ελέγχου επισκέπτεται τα κελιά από αριστερά προς τα δεξιά και αντίστροφα όταν ϕτάνει στα όρια της περιοχής του δικτύου, σχηµατίζοντας κατ αυτόν τον τρόπο ένα µονοπάτι που αποτελείται από οριζόντια γραµµικά τµήµατα, όπως ϕαίνεται στο σχηµα 4.3. Κινούµενο, το κέντρο ελέγχου, πάνω σε αυτό το µονοπάτι, κάποια χρονική στιγµή ϑα είναι στην ακτίνα επικοινωνίας κάθε αισθητήρα. Ο περίπατος αυτός υποθέτει κάποια γνώση του δικτύου (πχ. το κέντρο ελέγχου γνωρίζει τα όρια της περιοχής του δικτύου) και εφόσον αποφεύγει τις επαναλαµβανόµενες επισκέψεις σε ένα µόνο κελί και την «πολυβηµατική» επικοινωνία, αντιπροσωπεύει κάποιου είδους ϐέλτιστοποίηση, ως προς το χρόνο, για την κάλυψη του δικτύου και την ενέργεια που καταναλώνεται. Ευνοιοκρατικός Τυχαίος Περίπατος Στη γενική περίπτωση ίσως να µην είναι δυνατή η ντετερµινιστική κίνηση µέσα στο δίκτυο. Για παράδειγµα, η παρουσία εµποδίων πιθανώς να εµποδίζει την κίνηση του κέντρου ελέγχου, ενώ ίσως είναι επιθυµητό να κινείται κατά ένα τυχαίο τρόπο για την αποφυγή κακόβουλων επιθέσεων. Επιπλέον, το κέντρο ελέγχου µπορεί να µη γνωρίζει την τοπολογία του δικτύου ή αυτή να αλλάζει δυναµικά. Για τους παραπάνω λόγους, η χρήση ενός τυχαίου περιπάτου, ο οποίος χρησιµοποιεί τυχαίες µεταβάσεις µεταξύ των κελιών, είναι ίσως πιο κατάλληλη. Εδώ, η επόµενη ϑέση του κέντρου ελέγχου καθορίζεται από την τυχαία (µε