Swarm intelligence techniques for optimization and management tasks insensor networks
- Autores: Hugo Hernández Pibernat
- Directores de la Tesis: Christian Blum (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2012
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: María José Serna Iglesias (presid.) , Jordi Petit Silvestre (secret.) , Juan A. Rodríguez Aguilar (voc.) , Andrea Roli (voc.) , Enrique Alba Torres (voc.)
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- Resumen
Las principles contribuciones de esta tesis se encuentran en el domino de las redes de sensores inalámbricas. Más en detalle, introducimos algoritmos y protocolos que intentan minimizar el consumo energético para los siguientes problemas: gestión autosincronizada de encendido y apagado de sensores con capacidad para obtener energía del ambiente, coloreado de grafos distribuido y broadcasting de consumo mínimo en entornos con antenas reales.
En primer lugar, proponemos un sistema capaz de autosincronizar los ciclos de encendido y apagado de los nodos de una red de sensores. El mecanismo está basado en las fases de trabajo y reposo de las colonias de hormigas tal y como estas pueden observarse en la naturaleza, es decir, con fases de actividad autosincronizadas. El principal objectivo de este tipo de técnicas es ahorrar energía gracias a alternar estados de forma eficiente. En este caso en concreto, consideramos dos estados diferentes: el estado dormido, en el que los nodos no pueden comunicarse y el consumo energético es bajo; y el estado activo, en el que las comunicaciones propician un consumo energético elevado.
Con el objetivo de probar el modelo, se ha llevado a cabo una extensa experimentación que incluye tanto simulaciones síncronas en redes móviles y estáticas, como simulaciones en redes asíncronas. Además, este trabajo se extendió asumiendo un punto de vista más amplio e incluyendo un detallado estudio de los parámetros del algoritmo. Finalmente, gracias a la colaboración con la Technical University of Braunschweig, tuvimos la oportunidad de probar el mecanismo en el simulador realista de redes de sensores, Shawn (http://shawn.sf.net).
La segunda parte de esta tesis está dedicada a la desincronización de nodos en redes de sensores y a su aplicación al problema del coloreado de grafos de forma distribuida. En particular, nuestra investigación está inspirada por el canto de las ranas de árbol japonesas, cuyos machos utilizan su canto para atraer a las hembras. Resulta interesante que debido a que las hembras solo son capaces de localizar las ranas macho cuando sus cantos no están demasiado cerca en el tiempo, los grupos de machos que se hallan en una misma región desincronizan sus cantos.
Basado en un modelo de este comportamiento que se encuentra en la literatura, proponemos un nuevo algoritmo con aplicaciones al campo de las redes de sensores. Más en detalle, analizamos la habilidad del algoritmo para desincronizar nodos vecinos. Además, consideramos extensiones del modelo original, mejorando su capacidad de desincronización. Para ilustrar los potenciales beneficios de las redes desincronizadas, nos centramos en el problema del coloreado de grafos distribuido que tiene relación con diferentes tareas habituales en redes de sensores.
El clásico problema del broadcasting de consumo mínimo en redes ad hoc ha sido bien estudiado en la literatura. El problema considera un modelo de antena que permite transmitir a cualquier potencia elegida (hasta un máximo establecido por el dispositivo). Sin embargo, cuando se trabaja de forma específica con redes de sensores, un vistazo al hardware actualmente disponible muestra que este modelo de antena no es demasiado realista. En este trabajo reformulamos el problema para el modelo de antena más habitual en redes de sensores. En este modelo, los niveles de potencia de transmisión se eligen de un conjunto finito de posibilidades. La siguiente contribución consiste en en la adaptación de un algoritmo de optimización por colonias de hormigas a la versión más realista del problema, también conocida como broadcasting de consumo mínimo con antenas realistas.
Los resultados obtenidos muestran que la ventaja de este método sobre heurísticas clásicas incluso crece cuando el número de posibles potencias de transmisión decrece. Además, se ha presentado una versión distribuida del algoritmo, que también se compara de forma bastante favorable contra las heurísticas centralizadas conocidas.
