Massimizzare il lifetime di una rete wireless mediante il posizionamento ottimo dei sensori

Recenti sviluppi nell'ambito delle comunicazioni wireless e della microelettronica hanno favorito la progettazione e l`ingegnerizzazione di nodi sensori wireless di ridotte dimensioni, a basso costo e a basso consumo di energia. Una WSN (Wireless Sensor Network) è una rete wireless composta da un insieme di nodi sensore (nel seguito, nodi) in grado di rilevare eventi o fare misurazioni ambientali entro uno specifico raggio e trasmettere le informazioni acquisite tramite opportune interfacce di rete senza fili. Ogni nodo è composto da un sensore per rilevare determinati eventi, da un modulo radio per la comunicazione dei dati rilevati e da una batteria per l'alimentazione. I nodi monitorano l'occorrenza di eventi e comunicano le informazioni rilevate ad una stazione base (sink) tramite comunicazioni multi-hop, utilizzando altri nodi della rete per inoltrare i dati a destinazione.

I nodi che si trovano nelle vicinanze del sink hanno l`onere di inoltrare la quasi totalità dei dati rilevati dai nodi più distanti e sono quindi soggetti a un maggiore consumo energetico. Sorge dunque il problema denominato Energy Hole Problem per il quale i nodi nelle vicinanze del sink terminano le risorse energetiche molto prima degli altri nodi, causando l`interruzione del funzionamento dell`intera rete. In questa tesi viene preso in considerazione il problema di determinare il posizionamento ottimale di un insieme di nodi all`interno di una data area, in modo da: (a) garantire il monitoraggio delle zone di maggiore interesse, (b) garantire la connessione della WNS formata dai nodi, (c) massimizzare il tempo di funzionamento (lifetime) della rete e (d) minimizzare il numero di nodi impiegati.

Si assume di avere un modello dell'area da monitorare nel quale vengono specificate le diverse richieste di copertura da soddisfare con un opportuno posizionamento dei sensori. Vista la complessità del problema non è stato possibile utilizzare algoritmi esatti per la sua soluzione, sono stati invece impiegati metodi euristici basati su ricerca locale (Tabu Search) che hanno consentito di ottenere buone soluzioni in tempi ragionevoli. L'algoritmo implementato consente di specificare tutti i parametri, relativi a ciascun nodo sensore, necessari all'ottimizzazione: consumi energetici del sensore e del modulo radio, capacità della batteria, raggio di trasmissione e raggio di rilevamento. Attraverso specifici parametri dell'algoritmo è inoltre possibile decidere se ottimizzare il numero di nodi da impiegare o il lifetime della rete. Per un rapporto ottimale tra lifetime e numero di nodi impiegati sono stati ricavati opportuni parametri. Tuttavia tali parametri devono essere adattati per ogni specifica applicazione, in base al tipo di sensori utilizzati e agli obiettivi che si vogliono ottenere, sia in termini di lifetime che di numero di nodi.

La qualità dell'algoritmo implementato è stata validata tramite un`ampia campagna computazionale. Sono stati utilizzati diversi parametri energetici per i sensori e diversi raggi d`azione del modulo radio e del sensore stesso. L'analisi dei risultati ha mostrato che rispetto alle soluzioni ottenute minimizzando soltanto il numero di nodi, è possibile ottenere un significativo aumento del lifetime a fronte di un limitato incremento del numero di nodi.