Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και κατασκευή εφαρμογής ασύρματου δικτύου με σκοπό την αναγνώριση της ανθρώπινης δραστηριότητας και τον εντοπισμό της πτώσης σε πραγματικό χρόνο, καθώς επίσης και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων από απομακρυσμένη τοποθεσία. Στη συγκεκριμένη εργασία σκοπός είναι η αναγνώριση των τεσσάρων βασικών καταστάσεων της ανθρώπινης φυσικής δραστηριότητας (κάθομαι, ξαπλώνω, στέκομαι, κινούμαι) και ο εντοπισμός της πτώσης με χρήση της των επιταχυνσιομέτρων που προσφέρει η πλατφόρμα SunSpot καθώς και η σύνδεση της διάταξης με το διαδίκτυο για την παροχή πληροφορίας σχετικά με την κατάσταση του κατόχου του συστήματος σε απομακρυσμένη τοποθεσία. Πραγματοποιήθηκε μελέτη σχετικά με διάφορες διατάξεις των αισθητήρων ,την συχνότητα δειγματοληψίας, τους αλγορίθμους κατάταξης καθώς και για τις μεθόδους διάθεσης της πληροφορίας στο διαδίκτυο. Για την αναγνώριση των καταστάσεων και τον εντοπισμό της πτώσης χρησιμοποιήθηκαν δυο πλατφόρμες αισθητήρων SunSPOT, μια στο στήθος (master) και μια στο δεξιό τετρακέφαλο (slave) / A wearable wireless sensor network application performing human activity recognition and fall detection using the Naïve Bayesian Classifier algorithm in the SunSpot Platform accompanied by a web application in the Google App Engine platform to be able to monitor the classification results from a remote location and to automatically notify via e-mail in case of emergency.

Οι τελευταίες εξελίξεις στα πεδία της ασύρματης μετάδοσης ενέργειας και των υλικών μπαταρίας προσφέρουν καινούριες δυνατότητες για τη διαχείριση της διαθέσιμης ενέργειας στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Στο πρώτο πεδίο, έχει αποδειχθεί ότι, μέσω ισχυρά συζευγμένων μαγνητικών συντονισμών, η αποδοτικότητα μεταφοράς 60 watts ισχύος σε απόσταση δύο μέτρων φτάνει το 40% και σε απόσταση ενός μέτρου φτάνει το 75%. Επίσης, εμπορικά προϊόντα που κάνουν χρήση αυτής της τεχνολογίας, ήδη κυκλοφορούν στην αγορά. Στο δεύτερο πεδίο, πραγματοποιήθηκε πρόσφατα άκρως ταχεία φόρτιση με μπαταρίες LiFePO4, επιτρέποντας πλήρη φόρτιση σε μερικά μόνο δευτερόλεπτα. Αυτές οι τεχνολογικές εξελίξεις ανοίγουν το δρόμο προς ένα νέο παράδειγμα για τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, τα Ασύρματα Επαναφορτιζόμενα Δίκτυα Αισθητήρων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους αίσθησης (στάσιμους ή κινητούς) και έναν ή περισσότερους κινητούς κόμβους με υψηλό απόθεμα ενέργειας. Οι τελευταίοι, χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, επιτυγχάνουν γρήγορη ασύρματη φόρτιση των κόμβων αίσθησης. Με αυτόν τον τρόπο, μας δίνεται η δυνατότητα διαχείρισης του πολύ περιορισμένου πόρου της ενέργειας στο δίκτυο, με περισσότερη λεπτομέρεια και αποδοτικότητα. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι, από την προοπτική των κόμβων αίσθησης, η διαχείριση της ενέργειας μπορεί να πραγματοποιηθεί παθητικά και χωρίς την υπολογιστική και επικοινωνιακή επιβάρυνση που εισάγουν σύνθετοι αλγόριθμοι διαχείρισης ενέργειας. Επίσης, η διαδικασία φόρτισης μπορεί να πραγματοποιηθεί με πρωτόκολλα τα οποία μελετώνται και σχεδιάζονται ανεξάρτητα από το υποκείμενο πρωτόκολλο δρομολόγησης που χρησιμοποιείται για την μετάδοση των δεδομένων. Το πρόβλημα. Έστω ένα Ασύρματα Επαναφορτιζόμενο Δίκτυο Αισθητήρων στο οποίο οι κόμβοι αίσθησης μεταδίδουν δεδομένα σε ένα κέντρο ελέγχου χρησιμοποιώντας ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης και ο κινητός κόμβος φόρτισης, με απόθεμα ενέργειας σημαντικά μεγαλύτερο από έναν κόμβο αίσθησης, είναι ικανός να αναπληρώνει ασύρματα την ενέργεια των κόμβων αίσθησης. Το πρόβλημα που εξετάζουμε είναι η εύρεση της καλύτερης διαμόρφωσης του κινητού κόμβου φόρτισης, με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας του δικτύου και της παράτασης της διάρκειας ζωής των κόμβων. Η συνεισφορά μας. Αν και έχουν γίνει ήδη σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες για την ενεργειακά αποδοτική δρομολόγηση του κινητού κόμβου αίσθησης, οι περισσότερες προτεινόμενες λύσεις στη βιβλιογραφία μέχρι στιγμής υποθέτουν ολική γνώση επάνω στο δίκτυο. Αντιθέτως, οι λύσεις που παρέχουμε είναι πλήρως κατανεμημένες και προσαρμοστικές, και βασίζονται σε τοπική δικτυακή πληροφορία. Επίσης, τα πρωτόκολλά μας για τον κινητό κόμβο αίσθησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με κάθε πρωτόκολλο δρομολόγησης και προσαρμόζονται στην κατανομή των κόμβων αίσθησης στο επίπεδο. Τέλος αναγνωρίζουμε και σχεδιάζουμε σημαντικές παραμέτρους της διαδικασίας φόρτισης, όπως i) το ποσό της συνολικής αρχικής ενέργειας του δικτύου που δεσμεύει ο κινητός κόμβος φόρτισης, ii) το επίπεδο στο οποίο πρέπει να αναπληρώνεται η ενέργεια του κάθε κόμβου αίσθησης, iii) ποιες τροχιές πρέπει να ακολουθεί ο κινητός κόμβος φόρτισης ώστε να φορτίσει τους κόμβους αίσθησης. / Recent advances in the fields of wireless energy transmission and batteries material offer new possibilities for managing the available energy in WSNs. In the first field, the technology of highly efficient wireless energy transmission was proposed for efficient, non-radiative energy transmission over mid-range. It has been shown that through strongly coupled magnetic resonances, the efficiency of transferring 60 watts of power over a distance in excess of 2 meters is as high as 40%. Industry research also demonstrated that it is possible to improve transferring 60 watts of power over a distance of up to one meter with efficiency of 75%. At present, commercial products utilizing wireless energy transmission have been available on the market. In the second field, ultra-fast charging was recently realized in LiFePO4 by creating a fast ion-conducting surface phase through controlled off-stoichiometry. These technologies lead the way towards a new paradigm for wireless sensor networks; the Wireless Rechargeable Sensor Networks (WRSNs), which consist of sensor nodes that may be either stationary or mobile, as well as few mobile nodes with high energy supplies. The latter, by using wireless energy transmission technologies are capable of fast charging sensor nodes. This way, the highly constrained resource of energy can be managed in great detail and more efficiently. Another important aspect is the fact that energy management in WRSNs can be performed passively from the perspective of sensor nodes and without the computational and communicational overhead introduced by complex energy management algorithms. Finally, WRSNs allow energy management to be studied and designed independently of the underlying routing protocol used for data propagation. The Problem. Let a Wireless Rechargeable Sensor Network consisting of a set of stationary sensor nodes and a special mobile node called Mobile Charger. The sensor nodes are deployed uniformly at random over a network area and propagate data to a Sink using a routing protocol. The Mobile Charger has finite energy supplies, that are significantly greater than those of a single sensor node, and is capable of charging the sensors. The problem we study is identifying best possible configuration of the Mobile Charger in order to improve energy efficiency and to prolong the lifetime of the network. Our Contribution. While considerable research efforts have been invested into energy efficient scheduling of the Mobile Charger, proposed solutions in the literature so far require a global knowledge of the state of the network. On the contrary, the solutions proposed in this work are fully distributed and adaptive, and rely solely on local information. Furthermore, our proposed algorithm for the Mobile Charger can be used in combination with any underlying routing protocol and adapts on the distribution of sensors in the network area. We identify and investigate the following trade-offs: i) how the total available energy of the network should be split between sensor nodes and the Mobile Charger ii) given that the energy the charger may deliver to the nodes is finite, whether each sensor will be fully or partially charged and iii) what is the trajectory the Mobile Charger should follow in order to charge the sensor nodes.

Στην εν λόγω εργασία, έγινε μια προσπάθεια καταγραφής του τεχνολογικού τοπίου της τηλεπικοινωνιακής αγοράς, με έμφαση την διαλειτουργικότητα μεταξύ των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων και των σχετικών αλλαγών που έχει επιφέρει αυτή η διαλειτουργικότητα, τόσο στις παρεχόμενες υπηρεσίες, όσο και στα εφαρμοζόμενα επιχειρηματικά μοντέλα από πλευράς εταιρειών της συγκεκριμένης αγοράς. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας, χρειάστηκε να πραγματοποιηθεί μια λεπτομερής καταγραφή των τεχνολογικών εξελίξεων, σε επίπεδο τεχνικών προδιαγραφών και προτύπων, στις παραπάνω δύο κατηγορίες δικτύων, ώστε να καταλήξουμε σε εκείνα τα πρότυπα που πλέον μπορούν να οδηγήσουν στην υλοποίηση δικτύων τα οποία θα χαρακτηρίζονται από τα παρακάτω: • θα είναι ενοποιημένα ώστε οι διαφορετικές τεχνολογικές πλατφόρμες των εταιρειών να λειτουργούν απρόσκοπτα, • θα χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος, • ο τελικός χρήστης θα μπορεί να είναι συνεχώς συνδεδεμένος με κάποιο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης και να απολαμβάνει τις υπηρεσίες που επιθυμεί, οποτεδήποτε και οπουδήποτε. Η δομή της διπλωματικής εργασίας ακολουθεί τον προαναφερθέντα τρόπο σκέψης. Στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του στόχου σε επίπεδο τεχνολογιών αλλά και υπηρεσιών, δηλαδή των αναμενόμενων αποτελεσμάτων αυτών των δικτύων νέας γενιάς, στα οποία έχουμε συνηθίσει να αναφερόμαστε ως δίκτυα 4G (4th Generation) ή δίκτυα B3G (Beyond 3G) ή τέλος ως All – IP ασύρματα δίκτυα. Στο 2ο Κεφάλαιο, γίνεται μια λεπτομερής παρουσίαση των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας από τις πρώτες τους εκδοχές (1G) έως τις πλέον σύγχρονες (3.5G) που έχουν εμφανιστεί μέχρι σήμερα. Αναλύονται τόσο οι γενιές των δικτύων όσο και τα χρησιμοποιούμενα πρότυπα, σε επίπεδο αρχιτεκτονικής όσο και σε επίπεδο πρωτοκόλλων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου υπάρχει η τεχνική περιγραφή των επικρατέστερων δικτύων κινητής τηλεφωνίας, σήμερα, δηλαδή των GSM, GPRS και UMTS, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου υπάρχει μια σύντομη περιγραφή της διαδικασίας intersystem handover μεταξύ των GSM και UMTS. Στο 3ο Κεφάλαιο, περνάμε πλέον στα Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων. Γίνεται μια εκτενής περιγραφή των προτύπων που έχουν καθοριστεί και συγκεκριμένα στα πρότυπα IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) με κυριότερους εκφραστές τα δίκτυα βασιζόμενα σε Bluetooth και IrDA, το πρότυπο IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) με σημαντικότερος εκπροσώπους τα WiFi και HyperLan/2, το πρότυπο IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) ή αλλιώς γνωστότερο ως WiMAX και τέλος το πρότυπο IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) ή διαφορετικά Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) το οποίο είναι υπό διερεύνηση ακόμα και φιλοδοξεί να αποτελέσει το ασύρματο ανάλογο της τεχνολογίας xDSL, καθώς θα προσφέρει ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται μεθοδολογίες υλοποίησης του integration μεταξύ δικτύων των δύο κατηγοριών και συγκεκριμένα παραδείγματα διαλειτουργικότητας, όπως μεταξύ GPRS ή UMTS και WLANs ή μεταξύ UMTS και WiMAX. Γίνεται εκτενής συζήτηση γύρω από τα προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως η εξασφάλιση ανεκτού επιπέδου QoS, οι μηχανισμοί για handover μεταξύ των δικτύων, η διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών και των τερματικών και δίνονται παραδείγματα δημιουργίας ενοποιημένων δικτύων, τόσο με τη τεχνική της χαλαρής όσο και με την τεχνική της ισχυρής ζεύξης. Στο τελευταίο τμήμα του Κεφαλαίου, γίνεται μια εκτενής αναφορά στις αρχιτεκτονικές διασύνδεσης ετερογενών δικτύων με IP δίκτυα κορμού, τα γνωστά All – IP networks. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους μηχανισμούς πραγματοποίησης των handovers βάσει πολιτικών (policy based) και η χρήση τεχνικών για micromobility και macromobility σε σχέση με την κινητικότητα των τερματικών. Το 5ο Κεφάλαιο αφορά τις εφαρμογές και υλοποιήσεις ασυρμάτων δικτύων δεδομένων στον Ελληνικό χώρο, στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Κοινωνία της Πληροφορίας» και πιο συγκεκριμένα τα «Εξοπλισμός και δικτύωση σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης», «Ασύρματα Ευρυζωνικά Δίκτυα ΟΤΑ»και «Μητροπολιτικά Ευρυζωνικά Δίκτυα Οπτικών Ινών ΟΤΑ» και ουσιαστικά αποτελούν παραδείγματα και υλοποιήσεις διασύνδεσης WiFi, WiMAX και IP backbone δικτύων όπως το ΣΥΖΕΥΞΙΣ με δυνατότητες για παροχή VoIP. / In this thesis, an effort of presenting the technological landscape of the telecommunication market takes place, with focus on the interoperability between the Mobile Telephony Networks and the Wireless Data Networks and the relative changes that have evolved through this interoperability, both regarding the provided services and the applied business models by the enterprises of the specific market. Within the frames of this effort, a detailed recording of technological developments is realised, in terms of technical specifications and standards, in the two aforementioned categories of networks, so as to conclude to those standards that are utilized by the next generation networks (4G) which will be: • Networks that will be unified so as the different technological platforms will function smoothly. • Networks that will be characterized by low cost of deployment. • The end user will be continuously connected with a wireless access network, enjoying the preferred services anywhere and anytime. The master thesis structure follows the aforementioned methodology. The 1st Chapter includes a short presentation of expected results, both in terms of technologies and services for next generation networks, which we usually refer to as 4G networks (4th Generation) or B3G networks (Beyond 3G) or finally as All - IP wireless networks (AIPN). In the 2nd Chapter, a detailed presentation of Mobile Telephony Networks takes place, from their first versions (1G) until the most modern (3.5G) that have been presented up to today. The analysis includes both the various generations of networks and the used standards, in terms of modulation and multiplexing techniques. The rest of the chapter focuses on the technical description of the prevailing networks, GSM, GPRS and UMTS, while the chapter ends with a short description of intersystem handover processes between GSM and UMTS. Τhe 3rd Chapter, includes an extensive description of the Wireless Data Networks standards such as: IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks (WPANs) with main representatives networks based on Bluetooth and IrDA, standard IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) mainly represented by WiFi and HyperLan/2, IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) standard, widely known as WiMax and finally the IEEE 802.20 Wireless Wide Area Networks (WWANs) standard, namely Mobile Broadband Wireless Access (MWBA) that is still under development and aspires to constitutes the wireless version of the xDSL technology, since it aims to provide wireless broadband services. In the 4th Chapter methodologies for integrating the two types of networks, are presented along with examples of interoperability between GPRS / UMTS and WLANs or between UMTS and WiMAX. Extensive discussion around the problems that should be faced, as the guarantee of bearable QoS level, the mechanisms for handover between the networks and the management of mobility of users and terminals, is held. Moreover, examples of integrated networks with both loose and tight coupling methodologies are presented. The last section of the chapter concerns a detailed description of architectures for interconnecting heterogeneous wireless networks over IP – based backhaul networks, namely All – IP networks, with special focus on policy based handover mechanisms and techniques for managing micromobility and macromobility issues. The 5th Chapter concerns the changes taking place in the telecommunications market deriving from the technological progress in the subject of heterogeneous wireless networks interconnection. New service packets are created, as a result of new business plans that are drawn up by the big telecommunications organizations. Finally, we present the developments in the Greek market and subsidised projects from Information Society AE, via which wireless networks have been materialised, with aim to promote Broadband Services.

Στην παρούσα εργασία περιγράφεται μια νέα προσέγγιση στο πρόβλημα του εντοπισμού θέσης πολλαπλών πηγών στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Ο αλγόριθμος που προτείνεται βασίζεται σε μια εναλλακτική ερμηνεία της πληροφορίας που παρέχεται από το δίκτυο (υπό τη μορφή της λαμβανόμενης ισχύος του σήματος από κάθε κόμβο- αισθητήρα). Στα πλαίσια της εργασίας διεξάχθηκαν εκτενή πειράματα για την αξιολόγηση της μεθόδου όσον αφορά στην απόδοση, συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων του προβλήματος. / This work describes a new approach to the energy-based multiple source localization problem in wireless sensor networks. The algorithm that is proposed in the present work is based on a alternative interpretation of the information that is provided by the network (under the form of received signal strength in each sensor-node). Extensive simulations have been conducted to characterize the performance of this method under various parameters.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως στόχο την παρουσίαση και ανάπτυξη ενός πλήρους πληροφοριακού συστήματος που είναι δυνατόν η εφαρμογή του στο πραγματικό κόσμο να καθιστά ένα σπίτι ως «έξυπνο». Ο σκοπός της δημιουργίας του συστήματος αυτού είναι η μέτρηση και η καταχώρηση των συνθηκών που επικρατούν σε ένα χώρο και ο εντοπισμός κινήσεων που γίνονται μέσα σε αυτόν ώστε να εκτελεστούν κάποιες λειτουργίες αυτόματα. Το εν λόγω πληροφοριακό σύστημα αποτελείται από έναν κεντρικό υπολογιστή ο οποίος συνδέεται με ένα δίκτυο από διάφορους αισθητήρες, με μια βάση δεδομένων και έχει δυνατότητα επικοινωνίας με κινητό τηλέφωνο μέσω 3G δικτύου ώστε να υπάρχει απομακρυσμένη πρόσβαση σε όλες τις λειτουργίες. Έτσι η ανάπτυξη και η παρουσίαση αυτού του συστήματος δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας ενός έξυπνου σπιτιού με εξατομικευμένες προδιαγραφές και δυνατότητα επέκτασης του συστήματος. Εν κατακλείδι, η παρούσα διπλωματική εργασία, θέλει να αναδείξει την ευκολία, την απλότητα, την ευελιξία, αλλά και την χρησιμότητα που έχει ένα έξυπνο σπίτι. Παρουσιάζει ουσιαστικά την καρδιά του έξυπνου σπιτιού, ποιες είναι οι βασικές του μονάδες, πώς λειτουργούν και πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. / This Thesis aims at presenting and developing a complete system which can apply in the real world to make a home "smart." The purpose of creating this system is the measurement and recording of conditions of the house (humidity, temperature, light density etc) and monitor movements inside restricted areas in order to automate and trigger different operations. This information system consists of a central computer which is connected to a network of several sensors, a database and is also capable of remote access with mobile phone via 3G network. Thus the development and presentation of this system enables the creation of a smart home with personalized specifications and scalability of the system. In conclusion, this thesis wants to demonstrate the ease, simplicity, flexibility, and the utility a smart home has. Presents the heart of the smart house, what are the basic units, how they work and how they interact.

Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από χωρικά κατανεμημένες αυτόνομες συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούν αισθητήρες για την συνεργατική παρακολούθηση φυσικών και περιβαλλοντικών συνθηκών. Ένας κόμβος ενός δικτύου αισθητήρων συνήθως αποτελείται από ένα μικροελεγκτή, ένα ραδιο-πομποδέκτη, μια πηγή ενέργειας, η οποία συχνά είναι μια μπαταρία και διαφόρων ειδών αισθητήρες (π.χ. θερμοκρασίας, υγρασίας, φωτεινότητας). Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων προσφέρουν οικονομικά βιώσιμες λύσεις σε ποικίλες εφαρμογές. Δίκτυα τέτοιου τύπου δραστηριοποιούνται σε βιοιατρικές, στρατιωτικές, βιομηχανικές εφαρμογές καθώς και εφαρμογές παρακολούθησης του φυσικού περιβάλλοντος. Επιπλέον, τα δίκτυα αισθητήρων είναι κλειδί για τη δημιουργία έξυπνων χώρων που ενθέτουν τεχνολογία πληροφορίας στα καθημερινά περιβάλλοντα εργασίας και κατοικίας. Λόγω της χρήσης τέτοιων δικτύων σε περιβάλλοντα που ανταλλάσσονται ευαίσθητες πληροφορίες, δημιουργούνται θέματα ασφάλειας και μυστικότητας. Χαρακτηριστικά των διαφόρων εφαρμογών όπως η λειτουργία σε αντίξοα περιβάλλοντα, η ελλιπής γνώση της τοπολογίας του δικτύου, οι δυνατότητες αυτο-οργάνωσης και αυτόματης διόρθωσης λειτουργιών και η λειτουργία χωρίς ανθρώπινη επιτήρηση καθιστούν τη διατήρηση της ασφάλειας μια μεγάλη πρόκληση. Ένας κλάδος που παρέχει λύσεις σε προβλήματα ασφαλείας είναι αυτός της κρυπτογραφίας. Η κρυπτογραφία είναι μια καλά εδραιωμένη επιστημονική περιοχή, με πρωτόκολλα και πρότυπα τα οποία τυγχάνουν ευρείας αναγνώρισης. Παρόλα αυτά, η χρήση τους σε περιβάλλοντα περιορισμένων πόρων όπως αυτά των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, απαιτεί προσαρμογές. Η απαίτηση αυτή προκύπτει λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των δικτύων αυτών και των κόμβων που τα απαρτίζουν όπως η χαμηλή υπολογιστική ισχύς, οι περιορισμένες δυνατότητες αποθήκευσης και η περιορισμένη διαθέσιμη ενέργεια καθώς και η επικοινωνία ασύρματης φύσης που υιοθετείται. Ένα επιπλέον πρόβλημα που παρουσιάζεται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, είναι η ετερογένεια. Οι συσκευές αισθητήρων που παράγονται από τη βιομηχανία σήμερα, έχουν διαφορετικές υπολογιστικές δυνατότητες και εκτελούν διαφορετικά λειτουργικά συστήματα. Κάποιες αποτελούνται από μικροεπεξεργαστές 8-bit και έχουν ελάχιστη ποσότητα μνήμης RAM, ενώ άλλες έχουν πολύ μεγάλη υπολογιστική δύναμη και μπορούν να εκτελέσουν desktop λειτουργικά συστήματα όπως Linux. Έτσι, ενώ είναι σχετικά εύκολο να αναπτύξει κανείς μια εφαρμογή για μια συγκεκριμένη πλατφόρμα, είναι πολύ δύσκολο να γράψει γενικό κώδικα ανεξάρτητο της πλατφόρμας μεταγλώτισσης. Έτσι, υπάρχοντες υλοποιημένοι αλγόριθμοι και εφαρμογές πρέπει να τροποποιούνται κατάλληλα για να μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα ανάπτυξης. Μια απάντηση στο παραπάνω πρόβλημα δίνει η βιβλιοθήκη Wiselib η οποία προσφέρει ένα προγραμματιστικό περιβάλλον για την ανάπτυξη γενικών αλγορίθμων που έχουν ως στόχο την εκτέλεσή τους σε ετερογενή δίκτυα αισθητήρων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να προσφέρει λύσεις στα δύο προαναφερθέντα προβλήματα, ανάπτυσσοντας κρυπτογραφικούς αλγόριθμους για ετερογενή ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, αναπτύσουμε μια κρυπτογραφική βιβλιοθήκη στο προγραμματιστικό περιβάλλον της Wiselib, μιας γενικής βιβλιοθήκης αλγορίθμων για ετερογενή δίκτυα αισθητήρων. Η Wiselib είναι υλοποιημένη σε C++ και με χρήση τεχνικών όπως τα πρότυπα και οι inline συναρτήσεις, επιτρέπει τη συγγραφή γενικού κώδικα ο οποίος αναλύεται και δεσμεύεται κατά τη διαδικασία μεταγλώττισσης χωρίς να δημιουργείται πλεονασμός μνήμης ή υπολογισμού. Λόγω των απαιτήσεων ασφαλείας που δημιουργούνται από τις εφαρμογές δικτύων αισθητήρων καθώς και των περιορισμένων υπολογιστικών πόρων, η κρυπτογραφική μας βιβλιοθήκη παρέχει αλγορίθμους τόσο συμμετρικής όσο και ασυμμετρικής κρυπτογραφίας. Οι αλγόριθμοι ασυμμετρικής κρυπτογραφίας βασίζονται στην κρυπτογραφία ελλειπτικών καμπυλών. Οι ελλειπτικές καμπύλες αποτελούν ένα ιδανικό σύστημα για ανάπτυξη κρυπτογραφίας δημοσίου κλειδιού σε ενσωματωμένα περιβάλλοντα τα οποία υστερούν σε επεξεργαστική ισχύ, μνήμη και ενέργεια. Αυτό ισχύει διότι τα συστήματα ελλειπτικών καμπυλών προσφέρουν το ίδιο επίπεδο ασφάλειας με άλλα κρυπτοσυστήματα (π.χ. RSA) με χρήση πολύ μικρότερου μεγέθους κλειδιών. Έτσι, συνολικά η βιβλιοθήκη μας παρέχει τους εξής αλγορίθμους: τον αλγόριθμο συμμετρικής κρυπτογράφησης AES, τον αλγόριθμο κατακερματισμού SHA-1, το σχήμα συμφωνίας κλειδιών Diffie Hellman (ECDH), τον αλγόριθμο ασυμμετρικής κρυπτογράφησης ECIES και το σχήμα ψηφιακής υπογραφής ECDSA. Για την ανάλυση της απόδοσης της κρυπτογραφικής μας βιβλιοθήκης γίνεται πειραματική αξιολόγηση (χρόνος εκτέλεσης, ενέργεια,μέγεθος μεταφρασμένου κώδικα) των παραπάνω αλγορίθμων σε δύο συσκευές ( iSense, TelosB) με διαφορετικές επεξεργαστικές δυνατότητες (16 MHz, 8 MHz) που τρέχουν διαφορετικά λειτουργικά συστήματα (iSense OS, Contiki Sky). Το γεγονός ότι αξιολογήσαμε τους κρυπτογραφικούς αλγορίθμους σε δύο συσκευές διαφορετικών δυνατοτήτων και περιβαλλόντων ανάπτυξης, αποδεικνύει τη γενικότητα της υλοποίησης μας.Τέλος, για να αποδείξουμε την ευκολία χρήσης των υλοποιημένων αλγορίθμων παρουσιάζουμε τρεις εφαρμογές δικτύων αισθητήρων που τους χρησιμοποιούνε. Πιο συγκεκριμένα, επιδεικνύουμε πως οι κρυπτογραφικοί αλγόριθμοι μπορούν να συνδυαστούν με αλγορίθμους δρομολόγησης και ομαδοποίησης που παρέχει η βιβλιοθήκη Wiselib, με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν ασφαλείς εφαρμογές δικτύων αισθητήρων. / A wireless sensor network consists of spatially distributed autonomous devices, that use sensors in order to cooperatively monitor natural and environmental conditions. A wireless sensor network node typically consists of a micro-processor, a radio transceiver, an energy source (usually a battery) and various kinds of sensors that measure different environmental conditions (e.g. temperature, humidity, lightness). Wireless sensor networks are economically viable solutions to various applications. Networks of this type are used in biomedical, military, industrial as well as in applications that monitor the natural environment. Moreover, sensor networks are a key for the creation of smart spaces that introduce information technology in everyday environments like those of home and work. Because sensor networks are typically deployed in environments where sensitive information is communicated, security and privacy issues arise. Application characteristics like deployment in adverse environments, the incomplete knowledge of the network topology, the possibility of self-organization and the operation without human surveillance make the maintenance of security a big challenge. Cryptography is a science field that provides solutions to security problems. Cryptography is a well established science field that has provided protocols and standards of wide acceptance. However, the use of such protocols and standards in resource constrained environments, like those of sensor networks, requires changes and adaptations. This applies due to the special characteristics of such networks and the devices that consist them, e.g. the restricted processing power, the limited storage possibility and energy as well as the wireless nature of communication. A second problem that arises in wireless sensor networks is that of heterogeneity. The nodes produced by the industry today have different processing possibilities and execute various operating systems. Some nodes consist of 8-bit micro-processors that offer tiny amounts of RAM memory, whereas others are produced with 32-bit processors that can even execute desktop operating systems like Linux. Thus, while it is easy for a developer to implement a platform specific application, it is quite difficult to write some generic platform independent code. In order to re-use implemented applications and algorithms in different development environments a programmer has to make adaptations and changes according to the new platform specifications. A solution to this problem is provided by Wiselib. Wiselib offers an development environment suitable for the implementation of generic algorithms that can be compiled and executed on heterogenous wireless sensor networks. The objective of this work is to provide solutions to the aforementioned sensor network problems (security, heterogeneity). For this reason, we develop a cryptographic library on the generic program environment of Wiselib, a generic algorithm library for heterogenous sensor networks. Wiselib is implemented in C++ and employing advanced techniques, like templates and inline functions, it allows writing of generic code that can be allocated and resolved during compilation without producing computation or memory overhead. Due to the security requirements imposed by the sensor network applications and the resource restrictions by the sensor nodes, our cryptographic library provides symmetric as well as asymmetric cryptographic algorithms. The public key algorithms are based on elliptic curve cryptography. Elliptic curves consist an ideal system for the development of public key cryptography in resource constrained environments that offer restricted computation power, memory and energy. That is because elliptic curve cryptosystems offer the same level of security with other public key cryptosystems (e.g. RSA), using much smaller key sizes. Thus, in total our cryptographic library provides the following algorithms: the symmetric encryption algorithm AES, the hash algorithm SHA-1, the key agreement scheme Diffie Hellman (ECDH), the public key encryption algorithm ECIES and the signature scheme ECDSA. In order to evaluate the performance of our cryptographic library we experimentally test (in terms of execution time, compiled code size, energy consumption) its algorithms on two devices (iSense, TelosB) with different processing possibilities (16 MHz, 8 MHz) that execute different operating systems (iSense OS, Contiki Sky). The fact that we evaluated the cryptographic algorithms on two different devices with unlike capabilities and that execute different operating systems proves that our implementation is generic. Finally, in order to prove the ease of use of the implemented cryptographic algorithms we present three sensor network applications that employ them. More precisely, we show how our cryptographic algorithms can be combined with routing and clustering algorithms (provided by Wiselib), resulting in secure sensor network applications.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αυξημένη ανάγκη για εφαρμογές εσωτερικού χώρου οι οποίες να είναι σε θέση να χρησιμοποιούν την ασύρματη τεχνολογία για να εντοπίσουν την θέση των χρηστών με σκοπό την εκμετάλλευση της πληροφορίας της θέσης τους για την αποστολή διαφόρων πληροφοριών ενδιαφέροντος. Στην εργασία αυτή προτείνεται ένα σύστημα εντοπισμού θέσης του οποίου η εξαγόμενη πληροφορία χρησιμοποιείται σε m-commerce εφαρμογές (mobile commerce) μέσω τεχνικών εξόρυξης γνώσης (data mining). Το σύστημα το οποίο προτείνεται αποτελείται από δύο κεντρικά υποσυστήματα. Το πρώτο υποσύστημα αποτελεί ένα σύστημα εντοπισμού θέσης μέσα σε ένα Wi-Fi δίκτυο. Το δεύτερο υποσύστημα περιλαμβάνει την λογική για την εξόρυξη δεδομένων από το πληροφοριακό περιεχόμενο της θέσης των χρηστών ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον εμπορικό τομέα. / The increased need for applications of indoor localization which use wireless technology in order to locate users’ position and exploiting this position information for extracting deeper knowledge has motivated this paper. In this work it is proposed a system of localization where the exported information is used in m-commerce applications (mobile commerce) via techniques of data mining. The system which is suggested is constituted of two central sub systems. The first sub system constitutes a system of localization in a Wi-Fi network. The second sub system includes the logic of the excavation of data from the informative content of users’ position so that it can be used in the commercial sector.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην ανάπτυξη ασύρματου δικτύου αισθητήρων και Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών (PLCs) στο χώρο του Εργαστηρίου Γενικής Ηλεκτροτεχνίας για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο ορισμένων φυσικών μεγεθών. Η διάταξη χωρίζεται σε δύο τμήματα. Το πρώτο αφορά το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (WSN) και περιλαμβάνει τους αισθητήρες, τους πομπούς αποστολής δεδομένων από τους αισθητήρες και το δέκτη λήψης δεδομένων από όλους τους πομπούς. Το δεύτερο αφορά το ασύρματο δίκτυο των PLCs και περιλαμβάνει τα PLCs, τους επικοινωνιακούς επεξεργαστές και τις μονάδες ασύρματης επικοινωνίας, για την επιτυχή ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ τους. Επίσης, χρησιμοποιείται το λογισμικό WinCC – Flexible για τη δημιουργία εποπτικού σταθμού παρακολούθησης των τιμών των μεγεθών (σύστημα SCADA). Βασικός σκοπός της εργασίας είναι η ενοποίηση των δύο δικτύων ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά δεδομένων μεταξύ των διάφορων συσκευών, σύμφωνα με τις απαιτήσεις μια πιθανής απλής βιομηχανικής διεργασίας. Οι αισθητήρες είναι διασκορπισμένοι στο χώρο του εργαστηρίου και παίρνουν μετρήσεις για ένα φυσικό μέγεθος ο καθένας. Τα μεγέθη προς μέτρηση είναι: εξωτερική θερμοκρασία, εσωτερική θερμοκρασία, υγρασία, πίεση δικτύου πεπιεσμένου αέρα, ύψος, ρεύμα και βάρος. Κάθε αισθητήρας είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένος με ένα πομπό, ο οποίος αναλαμβάνει τη μετάδοση των μετρήσεών του σε ένα δέκτη. Ο πομπός μεταδίδει δεδομένα μέσω της μονάδας επικοινωνίας XBEE, η οποία εσωκλείεται μαζί με το ολοκληρωμένο κύκλωμα λειτουργίας της σε περίβλημα κατάλληλο για την προστασία της σε απαιτητικές βιομηχανικές συνθήκες. Κάθε ζευγάρι αισθητήρα και πομπού μετάδοσης συνιστά ένα περιφερειακό κόμβο του WSN. Όλα τα δεδομένα λαμβάνονται από τον κεντρικό κόμβο – δέκτη του WSN. Από τον κεντρικό κόμβο είναι δυνατή η απεικόνιση των μετρήσεων σε κατάλληλο περιβάλλον του λογισμικού TC-Central, που συνοδεύει τις συσκευές του WSN, καθώς και η ανατροφοδότηση τους στο ασύρματο δίκτυο των PLCs. Το λογισμικό TC-Central χρησιμοποιείται επιπλέον για τη ρύθμιση βασικών παραμέτρων του WSN, όπως είναι η διεύθυνση των πομπών στο δίκτυο και ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων. Για την ανατροφοδότηση των μετρήσεων στο δίκτυο των PLCs χρησιμοποιούνται οι 4 αναλογικές έξοδοι του κεντρικού κόμβου του WSN. Τα 3 PLCs της διάταξης διασυνδέονται τόσο ενσύρματα, μέσω δικτύου PROFIBUS-DP, όσο και ασύρματα μέσω τοπολογίας Σημείο-προς-Σημείο. Στην παρούσα εφαρμογή χρησιμοποιείται μόνο η ασύρματη σύνδεση μεταξύ των PLCs, όπου αυτά ακολουθούν μέθοδο πρόσβασης στο δίκτυο κυρίου – εξαρτημένου, με έναν κύριο και δύο εξαρτημένους σταθμούς. Κάθε PLC περιλαμβάνει επικοινωνιακό επεξεργαστή CP 342-5 για την ενσύρματη σύνδεση, καθώς και επικοινωνιακό επεξεργαστή CP 340 και μονάδα ασύρματης επικοινωνίας ARM-IOS RS232/485 για την ασύρματη σύνδεση. Ο επικοινωνιακός επεξεργαστής αποτελεί το συνδετικό κρίκο μεταξύ της μνήμης του PLC και της μονάδας επικοινωνίας. Σε περίπτωση μετάδοσης δεδομένων, αυτά μεταφέρονται από τη μνήμη στον επεξεργαστή και στη συνέχεια στη μονάδα επικοινωνίας, ενώ σε περίπτωση λήψης ακολουθείται η αντίστροφη πορεία. Από τις αναλογικές εξόδους του δέκτη, τα μεγέθη μεταφέρονται μέσω καλωδιακής σύνδεσης, στην κάρτα αναλογικών εισόδων ενός εκ των εξαρτημένων PLC. Από εκεί μεταδίδονται στον άλλο εξαρτημένο, μέσω του κύριου σταθμού, ο οποίος συνδέεται με το σύστημα SCADA. Στο χώρο του εργαστηρίου έχει αναρτηθεί οθόνη, για την απεικόνιση των τιμών των μεγεθών σε όσους βρίσκονται εντός. / The thesis consists in developing a wireless sensors and programmable logical controllers (PLCs) network in Systems and Measurements Laboratory in order to monitor on-line some physical values. The experimental set-up is divided in two parts. The first part is related to the wireless sensors network (WSN) and consists of the sensors, the transceivers and the receiver, which collects data among all sensor nodes. The second part is related to the PLCs' wireless network and consists of the PLCs, the communication processors and the wireless networking modules. In addition, software WinCC-Flexible is used in order to implement a monitoring station of measured values (SCADA system). The thesis' basic goal is to unify the networks, so that data transfer among used devices is achieved, according to the standards of a possible industrial application. Sensors are dispersed in the laboratory and measure a physical value per each. The measured values are: outdoor and indoor temperature, relative humidity, pneumatics' network pressure, height, current and weight. Each sensor is electrically connected to a transceiver, which transmits measured data to the receiver. The transceiver transmits data through the radio frequency module XBEE, which is enclosed into a special cover, suitable for protection in demanding industrial conditions. Each sensor-transceiver pair constitutes a WSN's sensor node. All data is received by the WSN's central node-receiver. On-line monitoring of all measured values is possible through the receiver, by use of TC-Central software, which is also used in order to set WSN's parameters, such as sensor nodes' addresses and data sample rate. Moreover, the receiver contains four analog outputs, which can be used to redirect four received signal in external devices. These analog outputs unify the two wireless networks, by retransmitting four selected measured values to the PLCs' network. The PLCs' network consists of 3 PLCs, networked both wired (PROFIBUS-DP) and wireless (Point-to-Point topology). In the current application only the wireless connection between the PLCs is used, following master / slave media access method, including 1 master station and 2 slave stations. Each PLC includes a communication processor CP 342-5 for wired connection, as well as a communication processor CP 340 and a RF module ARM-IOS RS232/485 for wireless connection. The communication processor connects the PLC's memory and RF module. A PLCs' network slave station is connected to the SCADA system. In the laboratory, a screen has been posted, so that measured values can be visible by everyone inside.

This dissertation deals with the distributed processing techniques for parameter estimation and efficient data-gathering in wireless communication and sensor networks. With the aim of enabling an energy aware and low-complexity distributed implementation of the estimation task, several useful optimization techniques that generally yield linear estimators were derived in the literature. Up to now, most of the works considered that the nodes are interested in estimating the same vector of global parameters. This scenario can be viewed as a special case of a more general problem where the nodes of the network have overlapped but different estimation interests. Motivated by this fact, this dissertation states a new Node-Specific Parameter Estimation (NSPE) formulation where the nodes are interested in estimating parameters of local, common and/or global interest. We consider a setting where the NSPE interests are partially overlapping, while the non-overlapping parts can be arbitrarily different. This setting can model several applications, e.g., cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks, power system state estimation in smart grids etc. Unsurprisingly, the effectiveness of any distributed adaptive implementation is dependent on the ways cooperation is established at the network level, as well as the processing strategies considered at the node level. At the network level, this dissertation is concerned with the incremental and diffusion cooperation schemes in the NSPE settings. Under the incremental mode, each node communicates with only one neighbor, and the data are processed in a cyclic manner throughout the network at each time instant. On the other hand, in the diffusion mode at each time step each node of the network cooperates with a set of neighboring nodes. Based on Least-Mean Squares (LMS) and Recursive Least-Squares (RLS) learning rules employed at the node level, we derive novel distributed estimation algorithms that undertake distinct but coupled optimization processes in order to obtain adaptive solutions of the considered NSPE setting. The detailed analyses of the mean convergence and the steady-state mean-square performance have been provided. Finally, different performance gains have been illustrated in the context of cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks. Another fundamental problem that has been considered in this dissertation is the data-gathering problem, sometimes also named as the sensor reachback, that arises in Wireless Sensor Networks (WSN). In particular, the problem is related to the transmission of the acquired observations to a data-collecting node, often termed to as sink node, which has increased processing capabilities and more available power as compared to the other nodes. Here, we focus on WSNs deployed for structural health monitoring. In general, there are several difficulties in the sensor reachback problem arising in such a network. Firstly, the amount of data generated by the sensor nodes may be immense, due to the fact that structural monitoring applications need to transfer relatively large amounts of dynamic response measurement data. Furthermore, the assumption that all sensors have direct, line-of-sight link to the sink does not hold in the case of these structures. To reduce the amount of data required to be transmitted to the sink node, the correlation among measurements of neighboring nodes can be exploited. A possible approach to exploit spatial data correlation is Distributed Source Coding (DSC). A DSC technique may achieve lossless compression of multiple correlated sensor outputs without establishing any communication links between the nodes. Other approaches employ lossy techniques by taking advantage of the temporal correlations in the data and/or suitable stochastic modeling of the underlying processes. In this dissertation, we present a channel-aware lossless extension of sequential decoding based on cooperation between the nodes. Next, we also present a cooperative communication protocol based on adaptive spatio-temporal prediction. As a more practical approach, it allows a lossy reconstruction of transmitted data, while offering considerable energy savings in terms of transmissions toward the sink. / Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τεχνικές κατανεμημένης επεξεργασίας για εκτίμηση παραμέτρων και για την αποδοτική συλλογή δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών και αισθητήρων. Το πρόβλημα της εκτίμησης συνίσταται στην εξαγωγή ενός συνόλου παραμέτρων από χρονικές και χωρικές θορυβώδεις μετρήσεις που συλλέγονται από διαφορετικούς κόμβους οι οποίοι παρακολουθούν μια περιοχή ή ένα πεδίο. Ο στόχος είναι να εξαχθεί μια εκτίμηση που θα είναι τόσο ακριβής όσο αυτή που θα πετυχαίναμε εάν κάθε κόμβος είχε πρόσβαση στην πληροφορία που έχει το σύνολο του δικτύου. Στο πρόσφατο σχετικά παρελθόν έγιναν διάφορες προσπάθειες που είχαν ως σκοπό την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών και χαμηλής πολυπλοκότητας κατανεμημένων υλοποίησεων του εκτιμητή. Έτσι, υπάρχουν πλέον στη βιβλιογραφία διάφορες ενδιαφέρουσες τεχνικές βελτιστοποίησης που οδηγούν σε γραμμικούς, κυρίως, εκτιμητές. Μέχρι τώρα, οι περισσότερες εργασίες θεωρούσαν ότι οι κόμβοι ενδιαφέρονται για την εκτίμηση ενός κοινού διανύσματος παραμέτρων, το οποίο είναι ίδιο για όλο το δίκτυο. Αυτό το σενάριο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ειδική περίπτωση ενός γενικότερου προβλήματος, όπου οι κόμβοι του δικτύου έχουν επικαλυπτόμενα αλλά διαφορετικά ενδιαφέροντα εκτίμησης. Παρακινημένη από αυτό το γεγονός, αυτή η Διατριβή ορίζει ένα νέο πλαίσιο της Κόμβο-Ειδικής Εκτίμησης Παραμέτρων (ΚΕΕΠ), όπου οι κόμβοι ενδιαφέρονται για την εκτίμηση των παραμέτρων τοπικού ενδιαφέροντος, των παραμέτρων που είναι κοινές σε ένα υποσύνολο των κόμβων ή/και των παραμέτρων που είναι κοινές σε όλο το δίκτυο. Θεωρούμε ένα περιβάλλον όπου η ΚΕΕΠ αναφέρεται σε ενδιαφέροντα που αλληλεπικαλύπτονται εν μέρει, ενώ τα μη επικαλυπτόμενα τμήματα μπορούν να είναι αυθαίρετα διαφορετικά. Αυτό το πλαίσιο μπορεί να μοντελοποιήσει διάφορες εφαρμογές, π.χ., συνεργατική ανίχνευση φάσματος σε γνωστικά δίκτυα ραδιοεπικοινωνιών, εκτίμηση της κατάστασης ενός δικτύου μεταφοράς ενέργειας κλπ. Όπως αναμένεται, η αποτελεσματικότητα της οποιασδήποτε κατανεμημένης προσαρμοστικής τεχνικής εξαρτάται και από τον συγκεκριμένο τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται η συνεργασία σε επίπεδο δικτύου, καθώς και από τις στρατηγικές επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται σε επίπεδο κόμβου. Σε επίπεδο δικτύου, αυτή η διατριβή ασχολείται με τον incremental (κυκλικά εξελισσόμενο) και με τον diffusion (διαχεόμενο) τρόπο συνεργασίας στο πλαίσιο της ΚΕΕΠ. Στον incremental τρόπο, κάθε κόμβος επικοινωνεί μόνο με ένα γείτονα, και τα δεδομένα από το δίκτυο υποβάλλονται σε επεξεργασία με ένα κυκλικό τρόπο σε κάθε χρονική στιγμή. Από την άλλη πλευρά, στον diffusion τρόπο σε κάθε χρονική στιγμή κάθε κόμβος του δικτύου συνεργάζεται με ένα σύνολο γειτονικών κόμβων. Με βάση τους αλγορίθμους Ελαχίστων Μέσων Τετραγώνων (ΕΜΤ) και Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων (ΑΕΤ) οι οποίοι χρησιμοποιούνται ως κανόνες μάθησης σε επίπεδο κόμβου, αναπτύσσουμε νέους κατανεμημένους αλγόριθμους για την εκτίμηση οι οποίοι αναλαμβάνουν ευδιακριτές, αλλά συνδεδεμένες διαδικασίες βελτιστοποίησης, προκειμένου να αποκτηθούν οι προσαρμοστικές λύσεις της εξεταζόμενης ΚΕΕΠ. Οι λεπτομερείς αναλύσεις για τη σύγκλιση ως προς τη μέση τιμή και για τη μέση τετραγωνική απόδοση σταθερής κατάστασης έχουν επίσης εξαχθεί στο πλαίσιο αυτής της Διατριβής. Τέλος, όπως αποδεικνύεται, η εφαρμογή των προτεινόμενων τεχνικών εκτίμησης στο πλαίσιο της συνεργατικής ανίχνευσης φάσματος σε γνωστικές ραδιοεπικοινωνίες, οδηγεί σε αισθητά κέρδη απόδοσης. Ένα άλλο βασικό πρόβλημα που έχει μελετηθεί στην παρούσα εργασία είναι το πρόβλημα συλλογής δεδομένων, επίσης γνωστό ως sensor reachback, το οποίο προκύπτει σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (ΑΔΑ). Πιο συγκεκριμένα, το πρόβλημα σχετίζεται με την μετάδοση των λαμβανόμενων μετρήσεων σε έναν κόμβο συλλογής δεδομένων, που ονομάζεται sink node, ο οποίος έχει αυξημένες δυνατότητες επεξεργασίας και περισσότερη διαθέσιμη ισχύ σε σύγκριση με τους άλλους κόμβους. Εδώ, έχουμε επικεντρωθεί σε ΑΔΑ που έχουν αναπτυχθεί για την παρακολούθηση της υγείας κατασκευών. Σε γενικές γραμμές, σε ένα τέτοιο δίκτυο προκύπτουν πολλές δυσκολίες σε ότι αφορά το sensor reachback προβλήμα. Πρώτον, η ποσότητα των δεδομένων που παράγονται από τους αισθητήρες μπορεί να είναι τεράστια, γεγονός που οφείλεται στο ότι για την παρακολούθηση της υγείας κατασκευών είναι απαραίτητο να μεταφερθούν σχετικά μεγάλες ποσότητες μετρήσεων δυναμικής απόκρισης. Επιπλέον, η υπόθεση ότι όλοι οι αισθητήρες έχουν απευθείας μονοπάτι μετάδοσης, με άλλα λόγια ότι βρίσκονται σε οπτική επαφή με τον sink node, δεν ισχύει στην περίπτωση των δομών αυτών. Για να μειωθεί η ποσότητα των δεδομένων που απαιτούνται για να μεταδοθούν στον sink node, αξιοποιείται η συσχέτιση μεταξύ των μετρήσεων των γειτονικών κόμβων. Μία πιθανή προσέγγιση για την αξιοποίηση της χωρικής συσχέτισης μεταξύ δεδομένων σχετίζεται με την Κατανεμημένη Κωδικοποίηση Πηγής (ΚΚΠ). Η τεχνική ΚΚΠ επιτυγχάνει μη απωλεστική συμπίεση των πολλαπλών συσχετιζόμενων μετρήσεων των κόμβων χωρίς να απαιτεί την οποιαδήποτε επικοινωνία μεταξύ των κόμβων. Άλλες προσεγγίσεις χρησιμοποιούν απωλεστικές τεχνικές συμπίεσης εκμεταλλευόμενες τις χρονικές συσχετίσεις στα δεδομένα ή / και κάνοντας μία κατάλληλη στοχαστική μοντελοποίηση των σχετικών διαδικασιών. Σε αυτή τη Διατριβή, παρουσιάζουμε μία επέκταση της διαδοχικής αποκωδικοποίησης χωρίς απώλειες λαμβάνοντας υπόψιν το κανάλι και βασιζόμενοι σε κατάλληλα σχεδιασμένη συνεργασία μεταξύ των κόμβων. Επιπρόσθετα, παρουσιάζουμε ενα συνεργατικό πρωτόκολλο επικοινωνίας που στηρίζεται σε προσαρμοστική χωρο-χρονική πρόβλεψη. Ως μια πιο πρακτική προσέγγιση, το πρωτόκολλο επιτρέπει απώλειες στην ανακατασκευή των μεταδιδόμενων δεδομένων, ενώ προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας μειώνοντας των αριθμό των απαιτούμενων μεταδόσεων προς τον sink node.

Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων αποτελούνται από ένα πολύ μεγάλο πλήθος συσκευών που τοποθετούνται σε μία περιοχή ενδιαφέροντος και αυτοοργανώνονται σε ένα αδόμητο δίκτυο, προκειμένου να καταγράψουν/μετρήσουν/παρακολουθήσουν κάποια περιβαλλοντική μετρική ή φαινόμενο και εν συνεχεία να μεταφέρουν τα δεδομένα σε κάποιο κέντρο ελέγχου. Λόγω των πολύ περιορισμένων δυνατοτήτων των συσκευών, ειδικά όσον αφορά την εμβέλεια επικοινωνίας και τα αποθέματα ενέργειας, αλλά και λόγω του πλήθους τους, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων και πρωτοκόλλων σχεδιασμένων για τα ιδιαίτερα προβλήματα των δικτύων αισθητήρων. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζουμε έρευνα επικεντρωμένη στην ανάπτυξη, προσομοίωση και αξιολόγηση ενεργειακά αποδοτικών αλγορίθμων, δηλαδή βασικός στόχος είναι η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας. Παρά τη ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας του υλικού το πρόβλημα βελτιστοποίησης της ενέργειας των συσκευών αισθητήρων παραμένει επίκαιρο αφού οι υπάρχουσες και άμεσα διαφαινόμενες λύσεις μέσω υλικού δεν έχουν δώσει ικανοποιητική απάντηση. Επικεντρώνουμε την έρευνά μας σε τρεις βασικές κατευθύνσεις που στοχεύουν στην εξοικονόμηση και βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας σε διαφορετικά επίπεδα. Κοινός στόχος είναι η μείωση του κόστους επικοινωνίας, μέσω της ανάδειξης καινοτόμων τεχνικών που δίνουν ώθηση στην ανάπτυξη νέων αλγορίθμων. Συγκεκριμένα, διερευνήσαμε τεχνικές κατανεμημένης προσαρμογής της λειτουργίας ενός πρωτοκόλλου όπου χρησιμοποιούμε πληροφορία διαθέσιμη τοπικά σε κάθε κόμβο ώστε με καθαρά τοπικές επιλογές, να βελτιώσουμε τη συνολική συμπε- ριφορά ενός πρωτοκόλλου. Επίσης προτείνουμε τεχνικές τοπικής συλλογής και εκμετάλλευσης περιορισμένης γνώσης των συνθηκών του δικτύου. Με ενεργειακά αποδοτικό τρόπο συλλέγουμε επιπλέον πληροφορία που χρησιμοποιούμε προκειμένου να επιτευχθούν βελτιστοποιήσεις όπως ο σχηματισμός ενεργειακά αποδοτικών, χαμηλής καθυστέρησης και ανθεκτικών σε σφάλματα μονοπατιών για μετάδοση δεδομένων. Ακόμα, διερευνούμε τεχνικές διαχείρισης της κινητικότητας σε περιπτώσεις δικτύων όπου χαρακτηριστικό είναι η κίνηση τόσο του κέντρου ελέγχου όσο και των συσκευών αισθητήρων. Εξετάσαμε μεθόδους διαπέρασης και κάλυψης του δικτύου από κινητά κέντρα ελέγχου που βασίζονται σε πιθανοτική κίνηση που ευνοεί την επίσκεψη κάποιων περιοχών με βάση τοπικά κριτήρια (συχνότητα προηγούμενων επισκέψεων, τοπική πυκνότητα δικτύου). Οι αλγόριθμοι που αναπτύσσουμε βασισμένοι σε αυτές τις τεχνικές λειτουργούν α) σε επίπεδο διαχείρισης της ίδιας της συσκευής, β) σε επίπεδο πρωτοκόλλου δρομολόγησης και γ) συνολικά σε επίπεδο δικτύου, αναδεικνύοντας μακροσκοπική συμπεριφορά από τοπικές αλληλεπιδράσεις. Οι αλγόριθμοι εφαρμόζονται σε περιπτώσεις δικτύων με διαφορές στην πυκνότητα, κατανομή κόμβων, διαθέσιμη ενέργεια αλλά και με ριζικές διαφοροποιήσεις στο μοντέλο αφού εξετάζουμε δίκτυα με παρουσία σφαλμάτων, σταδιακή ανάπτυξη κόμβων ακόμα και με κινούμενους κόμβους. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις οι τεχνικές μας πετυχαίνουν σημαντικά οφέλη γεγονός που αναδεικνύει την αξία τους σαν εργαλεία αλγοριθμικής σχεδίασης. / -