Αποδοτική ανάκτηση δεδομένων σε κατανεμημένα συστήματα ασύρματων δικτύων αισθητήρων

Abstract

The doctorate thesis explores the information retrieval issue in wireless environments and more specific in Wireless Sensor Networks. The principle motivation is the latency minimization and the reduction of the energy consumption of sensor nodes, targeting to prolong the longevity of the sensor network and the improvement of the network performance. To address this goal in an environment with extreme resource constraints, we utilize the efficient and effective caching of data, exploiting the cooperation among sensor nodes, and the cache consistency technique. Additionally, caching can be very effective in reducing the need for network-wide transmissions, thus reducing the interference and overcoming the variable channel conditions. We also propose an energy-efficient distributed clustering protocol for wireless sensor networks in order to reduce the communication cost and increase the network lifetime. Energy conservation and access efficiency are two fundamental though competing goals in broadcast wireless networks. The thesis explores the construction of air indexes that improve the network performance and overcome the drawbacks of the previously proposed indexes. The thesis is one of the first research efforts that cope with the issue of cooperative caching and cache consistency in Wireless Multimedia Sensor Networks. We propose a novel cooperative caching policy and a new cache consistency technique. The proposed methods exploit the localized network structure in order to discover which nodes are more important than the others, in terms of their position in the network and/or in terms of residual energy. Incorporating both factors into the design of the policies we ensure short latency in data retrieval, communication cost reduction and minimization of energy dissipation. The sensor nodes selection policy has been inspired by the research field of Social Network Analysis. Simulation results attest that the proposed methods outperform the state-of-the-art policies for Mobile Ad hoc Networks. The thesis introduces also a novel metric that computes the significance of a sensor node and implements this metric in order to generate a new cooperative caching protocol for Wireless Sensor Networks. The simulation results attest the superiority of the proposed metric; the proposed solution achieves on the average 20% improvement against the state-of-the-art competing metrics. The third major contribution of the thesis is the construction of a novel tree-structured index. The novelty of the proposed structure is the fact that the index can handle partial ordering among the transmitted data, which is a feature that is not present in any previously presented index. The new index is shown to be a generalization of two previously proposed high-performance indexes, and it introduces for the first time the problem of indexing partially ordered broadcast data. The experimental analysis exhibits the efficiency of the proposed index in reducing the energy consumption without noticeably worsening the access latency.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει το ζήτημα της ανάκτησης πληροφορίας σε ασύρματα περιβάλλοντα και ειδικότερα σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, με κίνητρο την ελάττωση της καθυστέρησης πρόσβασης των αισθητήρων στα προσφερόμενα δεδομένα και την ταυτόχρονη μείωση στην κατανάλωση ενέργειας των αισθητήρων με στόχο τη βελτίωση της επίδοσης και την επιμήκυνση της διάρκειας λειτουργίας του δικτύου. Συγκεκριμένα, εστιάζει το ενδιαφέρον της στη γενικότερη τεχνική του συνεργατικού caching και στη ταυτόχρονη συνέπεια της cache, η οποία πρέπει να διασφαλίζεται. Παρουσιάζει ένα καινοτόμο αλγόριθμο ομαδοποίησης των αισθητήρων, ώστε να μειωθεί το πλήθος των εκπεμπόμενων μηνυμάτων και συνεπώς να επιμηκυνθεί η χρονική διάρκεια λειτουργίας του δικτύου. Αντιμετωπίζοντας επίσης τη ραγδαία εξάπλωση των ασύρματων δικτύων που χρησιμοποιούν τη μέθοδο της εναέριας εκπομπής δεδομένων, η διατριβή διερευνά τη δημιουργία εναέριων καταλόγων για την καλύτερη απόδοση του δικτύου. Οι κυριότερες συνεισφορές της διατριβής είναι οι ακόλουθες. Αποτελεί μια από τις πρώτες ερευνητικές προσπάθειες που πραγματεύονται το ζήτημα του συνεργατικού caching και της συνέπειας των δεδομένων σε Ασύρματα Πολυμεσικά Δίκτυα Αισθητήρων. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια νέα πολιτική συνεργατικού caching και μια νέα τεχνική διατήρησης της συνέπειας της cache. Η σχεδίαση τους περιλαμβάνει την ανάλυση της τοπολογίας του δικτύου ώστε να επιλεγούν οι κόμβοι αισθητήρες που θα αναλάβουν το ρόλο του διαμεσολαβητή για να συντονίσουν τις αποφάσεις caching, ώστε να μειωθεί το κόστος επικοινωνίας, η κατανάλωση της ενέργειας, η καθυστέρηση προσπέλασης των δεδομένων και να αξιοποιηθεί βέλτιστα ο αποθηκευτικός χώρος της cache κάθε συνεργαζόμενου αισθητήρα. Η πολιτική επιλογής των κόμβων ήταν αποτέλεσμα έμπνευσης από την ερευνητική περιοχή των Κοινωνικών Δικτύων. Τα πρωτόκολλα συνεργατικού caching και συνέπειας της cache αποδείχτηκαν καλύτερα από τις ανταγωνιστικές μεθόδους που προέρχονται από την περιοχή των ασύρματων τυχαίων δικτύων. Μία δεύτερη συνεισφορά αποτελεί η εισαγωγή μιας νέας μετρικής για τον υπολογισμό της σπουδαιότητας ενός κόμβου αισθητήρα και η εφαρμογή της για τη δημιουργία πρωτοκόλλου συνεργατικού caching σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Η νέα μετρική συγκρίθηκε με αντίστοιχες από την ερευνητική περιοχή των Κοινωνικών Δικτύων και αποδείχθηκε ότι συμβάλλει στη βελτίωση της απόδοσης των δικτύων. Τέλος μια τρίτη συνεισφορά είναι ότι πραγματεύεται για πρώτη φορά το ζήτημα της δημιουργίας εναέριων ευρετηρίων για μερικώς διατεταγμένα δεδομένα σε Ασύρματα Δίκτυα. Ο νέος κατάλογος αποδείχθηκε ότι αποτελεί μια γενίκευση δύο προηγούμενων υψηλής απόδοσης δομών καταλόγων. Ο προτεινόμενος κατάλογος είναι αποδοτικός ως προς τη μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας χωρίς να επιβαρύνει τη καθυστέρηση πρόσβασης.