Un modello markoviano per lo studio dell'evoluzione in transitorio di una rete di sensori

Lo sviluppo tecnologico nei campi dell’elettronica e dell’elettromeccanica ha permesso la realizzazione di dispositivi, detti sensori, che permettono di rilevare una miriade di grandezze fisiche, tra cui temperatura, pressione, umidità e molte altre ancora. La capillare diffusione dei sensori è facilmente osservabile in molti aspetti della vita odierna. Da qualche anno questo settore sta sperimentando una interessante evoluzione. Al concetto di sensore che svolge da solo un dato compito sta subentrando quello di una moltitudine di dispositivi in grado di cooperare, per il raggiungimento di un obiettivo comune. Da qui nasce la definizione di rete di sensori. La distinzione è netta, dato che il progetto della rete non deve curare le prestazioni del singolo sensore ma quelle della rete vista come entità unica. In questo scenario ogni dispositivo deve operare per il bene comune della rete, sacrificando le sue risorse se ciò risulta utile per il perseguimento dello scopo dell’applicazione. La nascita delle reti di sensori è dovuta in gran parte agli sviluppi tecnologici nei campi della microelettronica e dei sistemi di comunicazione wireless, mediante i quali si è riusciti a realizzare dispositivi di piccole dimensioni, a basso costo, a ridotto consumo energetico e in grado di comunicare a breve distanza.
Una rete di sensori può considerarsi come caso particolare di rete ad hoc, cioè una rete che nasce per un dato scopo senza la necessità di infrastrutture pre-esistenti. Si pensi ad un insieme di PC che in uno spazio aperto prendono parte ad una comune applicazione. Per questo tipo di rete esistono diverse soluzioni protocollari appositamente progettate per ottimizzarne le prestazioni. Tali soluzioni, tuttavia, non sono quasi mai direttamente applicabili ad una rete di sensori, a causa di un insieme di caratteristiche specifiche che non si riscontrano nelle normali reti ad hoc. Per esempio il numero di nodi è molto più elevato e i sensori sono inesorabilmente soggetti ad esaurimento energetico, dato che le loro batterie in genere non possono essere ricaricate. Per questi ed altri motivi occorre definire una architettura protocollare specifica, in cui ad ogni livello si tenga conto dell’esigenza fondamentale di una rete di sensori: risparmiare energia e prolungarne la vita. Il traguardo della ricerca è quello di trovare soluzioni che rendano fattibile lo sviluppo di progetti che oltrepassino i limiti delle tradizionali applicazioni che fanno uso di sensori.
L’obiettivo della tesi è stato quello di definire un modello analitico in grado di analizzare l’evoluzione delle prestazioni di una rete di sensori, sino al completo esaurimento delle sue risorse energetiche. A tal fine abbiamo preso spunto dal lavoro in [16] e apportato i contributi necessari per permette lo studio del transitorio, in contrapposizione all’analisi a regime svolta dagli autori.
La tesi è strutturata come segue: il cap. II descrive le principali problematiche riguardanti le reti di sensori, con attenzione particolare ai protocolli di routing e di accesso al canale; il cap. III mostra in dettaglio il funzionamento del modello di partenza; il cap. IV esamina le tecniche risolutive da noi scelte per rendere concretamente utilizzabile il modello; il cap. V presenta lo strumento analitico definitivo per lo studio del transitorio e i risultati ottenuti; il cap. VI conclude la tesi.
L’ambiente di sviluppo utilizzato è MATLAB; le funzioni che implementano il modello si trovano in appendice.