Μελέτη Πρωτοκόλλων Επιπέδου Πρόσβασης Μέσου (MAC) Για Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

Abstract

Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη, ανάλυση και σχεδίαση πρωτοκόλλων επιπέδου πρόσβασης μέσου (Medium Access Control - MAC) για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (ΑΔΑ). Το πρόβλημα του ελέγχου πρόσβασης σε δίκτυα αισθητήρων κρίνεται ύψιστης σημασίας, καθώς η αποδοτική λειτουργία των τεχνικών αυτών μπορεί να μειώσει καταλυτικά την κατανάλωση ενέργειας των ασύρματων κόμβων που, ως γνωστόν, διαθέτουν περιορισμένους ενεργειακούς πόρους. Προς την κατεύθυνση αυτή, εξετάζεται το πρόβλημα της περιοδικής λειτουργίας των αισθητήριων κόμβων που απαρτίζουν το ΑΔΑ και προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος που αποσκοπεί στην αποδοτικότερη διαχείριση της χρονοπρογραμματισμένης εκπομπής/λήψης πακέτων στα δίκτυα αυτού του είδους. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος παρουσιάζει πολύ θετικά χαρακτηριστικά, υπερτερώντας των πιο γνωστών αλγορίθμων που έχουν προταθεί μέχρι σήμερα στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται ένα αναλυτικό μοντέλο Markov που επιτρέπει την αξιολόγηση της απόδοσης του μηχανισμού πρόσβασης του προτύπου ΙΕΕΕ 802.15.4 που υιοθετούν οι κόμβοι των ΑΔΑ, του οποίου η αξιοπιστία ελέγχεται και επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων. Σε μια τροποποίηση του προτύπου που παραθέτουμε, διαπιστώθηκε ότι ο πομποδέκτης μπορεί με ασφάλεια να απενεργοποιηθεί μεταξύ των μεταδόσεων, ούτως ώστε να επιτευχθεί σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειας από τους αισθητήρες, δίχως να επηρεαστεί ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, μας απασχόλησαν τεχνικές ελέγχου εισδοχής σε ΑΔΑ υπερευρυζωνικής (UWB) τεχνολογίας. Ο έλεγχος εισδοχής στα συστήματα αυτά αποτελεί μία πρόκληση λόγω της μεταβαλλόμενης τοπολογίας του δικτύου, αλλά και λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που παρουσιάζει το υποκείμενο φυσικό επίπεδο υπερευρείας ζώνης. Παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο πρωτόκολλο MAC που εισάγει την έννοια του ελέγχου εισδοχής βασισμένου στην γνώση της απόστασης στα συστήματα αυτά. Τα θετικά χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου αυτού αποκαλύπτονται μέσω της σύγκρισης του με τους πιο γνωστούς αλγορίθμους που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Τέλος, η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με την εξέταση πρωτοκόλλων πρόσβασης μέσου για ΑΔΑ που χρησιμοποιούν κατευθυντικές κεραίες. Μελετάται η αποδοτικότητα αυτών των συστημάτων απέναντι στο γνωστό πρόβλημα της κώφωσης, ενώ για την αντιμετώπιση του, προτείνεται ένας πρωτότυπος αλγόριθμος. Οι προσομοιώσεις επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου σε πολλές κρίσιμες παραμέτρους, κατόπιν σύγκρισης με αλγορίθμους που βασίζονται σε παγκατευθυντικές κεραίες.