Εξοικονόμηση ενέργειας στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με ενεργειακά αποδοτική δρομολόγηση

Abstract

In this thesis, the energy consumption and its influence on the performance of wireless sensor networks is described. Intially, the classification of the proposed routing protocols in wireless sensor networks is presented. Also the strengths and weaknesses of each protocol are emphasized by presenting a comparison which is based on the main parameters that characterize a wireless sensor network. Then, ECHERP, an energy-efficient protocol for wireless sensor networks, is proposed. ECHERP along with the number of rounds considers the current and the estimated future energy level of nodes, which may result to the maximization of the network lifetime. The protocol calculates the energy consumed by using the Gauss algorithm, in order to minimize the total energy consumption of the network in each round. Then, the analysis of automated irrigation in agriculture through the use of a new system for efficient irrigation using wireless sensor networks is discussed. The proposed system is based on a model that performs efficient management irrigation byfinding appropriate programs for the rational use of water for irrigation. Also, HYCLRP, a TDMA/CDMA protocol, is proposed. HYCLRP minimizes energy consumption by assigning codewords with shorter lengths and select as head nodes that minimize interference. This is achieved by selecting the node with the highest residual energy and the smallest total distance from the others. The network is modeled as a graph and selects colors to avoid interference. The nodes, based on the colors of the graph, use codewords that minimize energy consumption in the network. The performance of the protocol is evaluated by simulations. Finally, the most important scientific discoveries of the thesis as well as a series of open research issues that emerged during the execution thereof are presented.

Στην διατριβή αυτή περιγράφεται και αναλύεται το πρόβλημα της κατανάλωσης ενέργειας και η επιρροή του στην επίδοση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Αρχικά, προτείνεται η ταξινόμηση των πρωτοκόλλων στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Επίσης, αναλύονται τα πλεονεκτήματα και οι αδυναμίες του κάθε πρωτοκόλλου κάνοντας μια σύγκριση μεταξύ τους, με βάση τις κυριότερες παραμέτρους που χαρακτηρίζουν ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Στην συνέχεια, προτείνεται το ECHERP, ένα πρωτόκολλο ενεργειακής απόδοσης για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Το ECHERP μαζί με τον αριθμό των γύρων θεωρεί το τρέχον και το εκτιμώμενο μελλοντικό επίπεδο ενέργειας των κόμβων που μπορεί να είναι επικεφαλής προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η διάρκειαζωής του δικτύου. Το πρωτόκολλο υπολογίζει την ενέργεια που καταναλώνεται με τη χρήση του αλγορίθμου Gauss, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου σε κάθε γύρο. Aκολουθεί η ανάλυση της αυτοματοποιημένης άρδευσης στη γεωργία και προτείνεται ένα νέο σύστημα για την αποτελεσματική άρδευση χρησιμοποιώντας ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Το προτεινόμενο σύστημα βασίζεται σε ένα μοντέλο το οποίο εκτελεί την αποτελεσματική διαχείριση της άρδευσης με την εύρεση των κατάλληλων προγραμμάτων για την ορθολογική χρήση του νερού για άρδευση. Επίσης, προτείνεται το HYCLRP, ένα πρωτόκολλο το οποίο συνδυάζει TDMA και CDMA. Το HYCLRP ελαχιστοποιεί την κατανάλωση ενέργειας με την ανάθεση κωδικών λέξεων με μικρότερο μήκος και με την επιλογή ως επικεφαλής των κόμβων που ελαχιστοποιούν τις παρεμβολές. Αυτό γίνεται με την επιλογή των κόμβων με την υψηλότερη ενέργεια και με την μικρότερη συνολική απόσταση από τους άλλους. Το δίκτυο μοντελοποιείται ως γράφημα και επιλέγει χρώματα για την αποφυγή παρεμβολών. Οι κόμβοι με βάση τα χρώματα του γραφήματος χρησιμοποιούν κωδικές λέξεις που ελαχιστοποιούν την κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο. Η απόδοση του πρωτοκόλλου αξιολογείται από προσομοιώσεις.Τέλος, παρουσιάζονται τα σημαντικότερα επιστημονικά ευρήματα της διατριβής καθώς επίσης και μία σειρά από ανοιχτά ερευνητικά θέματα τα οποία αναδείχθηκαν κατά την εκτέλεση αυτής.