Design of networks with limited resources

Abstract

Ο σχεδιασμός της αρχιτεκτονικής ενός δικτύου επηρεάζεται από τους περιορισμένους πόρους του δικτύου. Η προσπάθεια βελτίωσης ενός δικτύου διεξάγεται αφενός σε φυσικό επίπεδο, με την ανάπτυξη βελτιωμένου υλικού και συσκευών, αλλά και σε επίπεδο λογισμικού, όπου εφευρίσκονται ολοένα και πιο γρήγοροι και έξυπνοι αλγόριθμοι. Αυτή η διατριβή εξετάζει τους περιορισμούς πόρων σε δίκτυα εκπομπής, σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και σε μοριακά νανοδίκτυα. Τα δίκτυα εκπομπής χαρακτηρίζονται από περιορισμένη χωρητικότητα επικοινωνίας των πελατών προς τον σταθμό βάσης. Η κύρια πρόκληση είναι η κατασκευή ενός προγράμματος εκπομπής που na ελαχιστοποιεί την καθυστέρηση για τους πελάτες. Η καλύτερη γνωστή μέθοδος, καταφέρνει πρόγραμμα εκπομπής πολύ κοντά στο βέλτιστο, αλλά πάσχει από απαγορευτική χρονική πολυπλοκότητα. Η προτεινόμενη μέθοδος, που παρουσιάζεται στο πρώτο μέρος αυτής της διατριβής, επιτυγχάνει σχεδόν βέλτιστη απόδοση με χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα. Χρησιμοποιεί μια ειδικά σχεδιασμένη δομή δεδομένων, η οποία οργανώνει τα δεδομένα αναλόγως της δημοτικότητάς τους. Η μέθοδος είναι υπολογιστικά αποδοτική, καθώς κατασκευάζει το πρόγραμμα εκπομπής απλά διασχίζοντας αυτή τη δομή δεδομένων. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από απλούς κόμβους αισθητήρων περιορισμένων δυνατοτήτων. Η εκτίμηση απόστασης είναι σημαντικό πρόβλημα αυτών των δικτύων, καθώς ο ακριβής εντοπισμός της θέσης των αισθητήρων μπορεί να ωφελήσει την απόδοση και την αποτελεσματικότητα του δικτύου. Συνήθως οι τεχνικές της βιβλιογραφίας για την εκτίμηση των αποστάσεων μεταξύ αισθητήρων απαιτούν από ορισμένους ειδικούς κόμβους να περιέχουν εξειδικευμένο υλικό, ώστε να έχουν ακριβή γνώση της θέσης τους. Όμως, βασική απαίτηση των δικτύων αισθητήρων είναι η απλότητα των κόμβων. Στο δεύτερο κομμάτι αυτής της διατριβής, προτείνεται μια μέθοδος, η οποία καταφέρνει εκτίμηση απόστασης μέσω μαθηματικής έκφρασης και χωρίς να χρειάζεται εξειδικευμένο υλικό για τους κόμβους. Στο τελευταίο κομμάτι της διατριβής γίνεται εισαγωγή στα νανοδίκτυα. Παρόλο που τα νανοδίκτυα είναι ένας πολλά υποσχόμενος χώρος, ένας από τους βασικότερους περιορισμούς τους είναι ότι προϋποθέτουν τεχνολογία, η οποία δεν είναι ακόμη ευρέως διαθέσιμη. Ένα νέο μοντέλο επικοινωνίας προτείνεται όπου η συγκέντρωση των βακτηρίων χρησιμοποιείται ως μέσο μετάδοσης πληροφοριών. Η μέθοδος αυτή είναι σχετικά απλή στην υλοποίησή της, και όταν χρησιμοποιεί χημειοτακτισμό, επιτυγχάνει επικοινωνία σε αποστάσεις ως το ένα cm. Όλες οι προτεινόμενες μέθοδοι αυτής τη διατριβής υποστηρίζονται θεωρητικά και η απόδοσή τους αξιολογείται με προσομοίωση. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή, καταδεικνύουν την εγκυρότητα και χρησιμότητα αυτών των μεθόδων υπό μια ποικιλία σεναρίων.