Ανάπτυξη νέων τεχνικών διαχείρισης πόρων σε ασύρματα δίκτυα

Abstract

The present PhD thesis aims at developing effective resource management techniques in wireless networks, emphasizing on wireless broadcasting and sensor networks.At first, frequency resource management is considered in wireless broadcasting networks. Chapter 2 briefly overviews the DVB-T standard, its adoption during the Agreement of Geneva in 2006 (GE06) and the need for harmonized digital dividend, calling for GE06 Plan modifications.Next, the frequency plan modification through metaheuristic methods is studied in Chapter 3. Genetic Algorithms, Simulated Annealing and Particle Swarm Optimization are presented and the “channel rearrangement problem” is formulated. Then, the “Metaheuristically Optimized Channel Allocation” (MOCA) algorithm is presented, using the aforementioned techniques to provide near-optimal modified plans in properly defined areas. The MOCA efficiency on plan modification under specified constraints is confirmed via simulation results.On the other hand, Chapters 4 and 5 focus on wireless sensor networks (WSN) and specifically on selecting optimal paths under diverse requirements during routing process. Chapter 4 introduces WSN and analyses the node and network special characteristics. Emphasis is placed on routing protocols and especially on the Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks (RPL), as well as protocols based on security, which is threatened by a number of network-layer attacks. As a result, differentiated routing metrics have been designed for capturing and avoiding differentiated types of attacks or generally adverse conditions, urging for composite routing metrics.On the other hand, routing metrics are not always compatible with any kind of routing protocol. Chapter 5 addresses routing metric and protocol compatibility through “monotonicity” and “isotonicity” properties of the “Routing Algebra”. Moreover, additive and lexical metric composition approaches are defined and applied on the proposed trust metric PFI and link quality metric ETX, to derive trusted and quality paths. The composite metrics through PFI and ETX are proved to hold the desired algebraic properties. Moreover, they are proved via simulations to outperform the single metrics, while the additive approach seems to be the most appropriate one for problems with differentiated requirements.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη τεχνικών αποδοτικής διαχείρισης πόρων σε ασύρματα δίκτυα, με έμφαση στα ασύρματα δίκτυα ευρυεκπομπής και τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων.Αρχικά, ερευνάται η διαχείριση των φασματικών πόρων σε ασύρματα δίκτυα ευρυεκπομπής. Το Κεφάλαιο 2 παρουσιάζει επισκόπηση του προτύπου DVB-T, την υιοθέτησή του κατά τη Συμφωνία της Γενεύης 2006 (GE06) και την ανάγκη για εναρμονισμένο ψηφιακό μέρισμα, που επιτάσσει την τροποποίηση των πλάνων συχνοτήτων της GE06.Ακολούθως, στο Κεφάλαιο 3 μελετάται η αναδιάταξη των πλάνων GE06 μέσω μεταευριστικών μεθόδων βελτιστοποίησης. Παρουσιάζονται οι μέθοδοι βελτιστοποίησης μέσω «Γενετικών Αλγορίθμων», «Προσομοιωμένης Ανόπτησης» και «Βελτιστοποίησης Σμήνους Μονάδων». Παράλληλα, διατυπώνεται το πρόβλημα της «εκ νέου απόδοσης διαύλων», καταλήγοντας στην περιγραφή του αλγορίθμου «Μεταευριστικώς Βελτιστοποιούμενη Εκχώρηση Διαύλων» MOCA, ο οποίος χρησιμοποιεί τις ανωτέρω τεχνικές για την εξαγωγή σχεδόν βέλτιστων τροποποιημένων πλάνων συχνοτήτων σε κατάλληλα ορισμένες περιοχές. Η αποδοτικότητα του αλγορίθμου ως προς την τροποποίηση των υπαρχόντων πλάνων συχνοτήτων υπό δεδομένους περιορισμούς επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων.Στη συνέχεια, τα Κεφάλαια 4 και 5 επικεντρώνονται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN) και συγκεκριμένα στην επιλογή βέλτιστων διαδρομών υπό ποικίλες απαιτήσεις κατά τη δρομολόγηση. Το Κεφάλαιο 4 παρέχει μια εισαγωγή στα WSN και αναλύει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των ασύρματων κόμβων και των δικτύων τους. Η μελέτη εντοπίζεται στα πρωτόκολλα δρομολόγησης και ιδιαίτερα στο πρωτόκολλο Δρομολόγησης πάνω από Χαμηλής Ισχύος και με Απώλειες Δίκτυα RPL, καθώς και τα πρωτόκολλα με έμφαση στην ασφάλεια, που διακυβεύεται από πλήθος επιθέσεων του στρώματος δικτύου. Έτσι, διάφορες μετρικές έχουν σχεδιαστεί για την αποφυγή διαφορετικών επιθέσεων ή γενικά δυσμενών καταστάσεων, οδηγώντας στην ανάγκη για σύνθετες μετρικές.Από την άλλη, οι μετρικές δρομολόγησης δεν είναι πάντα συμβατές με κάθε πρωτόκολλο δρομολόγησης. Το Κεφάλαιο 5 πραγματεύεται τους όρους συμβατότητας μεταξύ μετρικών και πρωτοκόλλων δρομολόγησης μέσω των ιδιοτήτων «μονοτονίας» και «ισοτονικότητας» της «Άλγεβρας Δρομολόγησης». Επίσης, παρουσιάζονται η λεξικογραφική και η αθροιστική τεχνική σύνθεσης και εφαρμόζονται στη νεοεισαχθείσα μετρική εμπιστοσύνης PFI και τη μετρική ποιότητας ζεύξης ETX για την επιλογή αξιόπιστων και υψηλής ποιότητας ζεύξης διαδρομών. Οι σύνθετες μετρικές αποδεικνύονται να πληρούν τις επιθυμητές ιδιότητες της Άλγεβρας Δρομολόγησης. Επίσης, αποδεικνύονται μέσω προσομοιώσεων ανώτερες των απλών, ενώ διαφαίνεται η καταλληλότητα της αθροιστικής σύνθεσης για προβλήματα με πολλαπλές απαιτήσεις.