Ελαχιστοποίηση κατανάλωσης ενέργειας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με χρήση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού και ομαδοποίησης

Abstract

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks, WSNs) έχουν αρχίσει να απασχολούν έντονα την επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια, τόσο λόγω της μεγάλης ποικιλίας των εφαρμογών τους, όσο και για τα πολλά ανεξερεύνητα επιστημονικά προβλήματα που θέτουν.

Ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα αποτελεί η διαχείριση των ενεργειακών πόρων των κόμβων αισθητήρων που απαρτίζουν αυτά τα δίκτυα, αφού είναι εφοδιασμένοι με μικρής χωρητικότητας μπαταρίες λόγω του μικρού μεγέθους τους, των οποίων η αντικατάσταση είναι αδύνατη ή δεν συμφέρει. Ανάμεσα στις διάφορες λειτουργίες που επιτελούν οι κόμβοι αισθητήρων, η μεταξύ τους επικοινωνία είναι από τις πιο απαιτητικές από άποψη κατανάλωσης. Γι’ αυτό το λόγο, έχουν προταθεί διάφορες λύσεις τόσο για την αποδοτικότερη εκμετάλλευση των ενεργειακών τους αποθεμάτων, όσο και για τη μείωση της κατανάλωσης των αναγκών ασύρματης επικοινωνίας των κόμβων.

Το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας των κόμβων αισθητήρων ενός WSN μέσω του χρονοπρογραμματισμού της επικοινωνίας τους και της ομαδοποίησης τους σε συστάδες. Πιο συγκεκριμένα, δημιουργήθηκε αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού της επικοινωνίας, ο οποίος γίνεται με βάση τις απώλειες του καναλιού, δηλαδή τις απώλειες διάδοσης και τις διαλείψεις σκίασης, και χρησιμοποιεί τη θεωρία βέλτιστης παύσης για τον προσδιορισμό της βέλτιστης χρονικής στιγμής πραγματοποίησης της επικοινωνίας. Επιπρόσθετα, το δίκτυο οργανώνεται σε συστάδες για περεταίρω μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Μετά την κατασκευή του αλγορίθμου, αναπτύχθηκε πρόγραμμα προσομοίωσης στο περιβάλλον Matlab, ώστε να επαληθευτεί η θεωρητική του ανάλυση. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση του αλγορίθμου που κατασκευάστηκε με δύο άλλους αλγορίθμους χρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν διαφορετικά κριτήρια για τον προγραμματισμό της επικοινωνίας των κόμβων. Με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν, αποδεικνύεται ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας των ασύρματων κόμβων αισθητήρων.

Wireless sensor networks (WSNs) have drawn a lot of the scientific interest during the last years, not only because of their wide range of applications, but also due to the numerous unsolved issues that they pose.

One of the most challenging aspects is the efficient utilization of the energy supplies of the sensor nodes that form the network, because, due to their small size, they are equipped with small batteries that are impossible or impractical to change. The communication between the nodes of the network is one of the most energy consuming functions that they have to support. Therefore, there has been a lot of research concerning energy efficient communication schemes based on various techniques, such as routing and clustering.

This diploma thesis discusses the minimization of the wireless sensor nodes energy consumption through communication time-scheduling and clustering techniques. More specifically, a communication scheduling scheme based on channel losses, which consist both of the path losses and shadow fading, is proposed. The proposed scheduling scheme uses the optimal stopping theory in order to find the best time instant to communicate. Additionally, the WSN is organized in clusters for the further reduction of the energy consumption. Apart from the theoretical analysis of the algorithm, simulations in Matlab are conducted, in order to confirm the expected outcome. Lastly, the simulation results are compared to those of two different scheduling schemes. Based on the simulations results, the nodes achieve significantly lower energy consumption by using the proposed scheduling scheme.