Μελέτη πρωτοκόλλων επιπέδου πρόσβασης μέσου (MAC) για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Abstract

With the proliferation of sensor nodes and the development in wireless communication technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained worldwide attention in recent years. They facilitate monitoring and controlling of physical environments from remote locations with great accuracy and represent a significant improvement over wired sensor networks. Their function is to collect and disseminate critical data, while their position does not need to be engineered or predetermined, in contrast to the wired ones. This also means that WSN protocols must possess self-organizing capabilities, in addition to energy-aware characteristics, given the energy constraints imposed by these networks. Several special mechanisms need to be implemented in all the network layers, from physical to application, in order to ensure a long-lasting operation of the deployed WSN. In this doctoral dissertation we concentrate our study on medium access control (MAC) protocols, since this gives a fine-grained control to switch the wireless radio on and off and therefore to effectively prolong the network lifetime. To this extend, the problem of periodic operation is studied and one new algorithm is proposed, which excels efficiently the management of the on/off schedules of the nodes comprising the WSN. Moreover, an analytical Markov model was devised that permits the performance assessment of the access mechanism of the IEEE 802.15.4 standard, whose validity is corroborated by ample simulation experiments. Next, the issue of admission control in Ultra-Wideband (UWB) sensor networks is investigated. A novel MAC protocol is presented that introduces the concept of location-assisted admission control to this kind of systems. The positive characteristics of the proposed protocols are revealed by means of comparison with the most well-known algorithms that have been proposed in the literature. The attention is then drawn towards directional antenna systems and specifically on how these systems can subserve the medium access control. A novel directional MAC protocol is delineated and the results of its comparison with an omni-directional alternative protocol are presented.

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.