Το Διαδίκτυο αναμφίβολα αποτελεί την μεγαλύτερη ανακάλυψη στον τομέα διάδοσης της πληροφορίας από την εποχή του Γουτεμβέργιου και της τυπογραφίας, έχοντας ριζικά αλλάξει τον τρόπο επικοινωνίας και αλληλεπίδρασης των ανθρώπων. Στον πυρήνα του Διαδικτύου βρίσκονται τεχνολογίες οι οποίες αναπτύχθηκαν με σκοπό την επίτευξη επικοινωνίας ανάμεσα σε ετερογενή συστήματα και δίκτυα. Με αυτό τον τρόπο, ενώ το Διαδίκτυο αρχικά αποτελείτο αποκλειστικά από δίκτυα υπολογιστών, στην συνέχεια ενσωματώθηκαν σε αυτό και άλλοι τύποι δικτύων όπως τα σταθερά τηλεφωνικά δίκτυα, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, τα δορυφορικά δίκτυα, κ.α. Πλέον το Διαδίκτυο αποτελεί ένα μετα-δίκτυο δικτύων το οποίο συνεχίζει να επεκτείνεται και οι αντίστοιχες υποστηρικτικές τεχνολογίες συνεχίζουν να εξελίσσονται. Στο ορατό μέλλον, στο Διαδίκτυο θα προστεθούν και τα ενσωματωμένα συστήματα ελέγχου πραγματώνοντας με αυτό τον τρόπο το όραμα του Διαδικτύου των Αντικειμένων (Internet of Things). Η κύρια υποστηρικτική τεχνολογία για το Διαδίκτυο των Αντικειμένων είναι τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Α.Δ.Α.). Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούν μία ειδική κατηγορία κατανεμημένων και αυτό-οργανούμενων δικτύων τα οποία υπόσχονται να γεφυρώσουν το χάσμα ανάμεσα στον φυσικό και τον ψηφιακό κόσμο. Αποτελούνται από μικρές αυτόνομες συσκευές, περιορισμένων υπολογιστικών δυνατοτήτων, εξοπλισμένες με ψηφιακούς αισθητήρες. Οι συσκευές αυτές συλλέγουν δεδομένα και δουλεύοντας συνεργατικά μεταξύ τους, τα διαδρομούν μέσω πολύ-βηματικών μεταδόσεων. Με αυτό τον τρόπο, αν και ο κάθε κόμβος του δικτύου χαρακτηρίζεται από σημαντικούς περιορισμούς (στην υπολογιστική ισχύ, την ενέργεια, την ασύρματη επικοινωνία, κ.α.) τα δίκτυα τα οποία συντίθενται είναι σε θέση να φέρουν εις πέρας δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα, παράγοντας και διακινώντας μεγάλες ποσότητες πληροφορίας. Η διατριβή που κρατάτε στα χέρια σας αποτελεί προϊόν πρωτότυπης έρευνας σε ζητήματα αποδοτικής συλλογής δεδομένων από Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, ενώ έχει παρουσιαστεί σε γνωστά επιστημονικά περιοδικά και ανταγωνιστικά συνέδρια διεθνούς κύρους. Το κείμενο είναι οργανωμένο σε τρεις ενότητες. Στην πρώτη ενότητα μελετώνται θέματα κίνησης στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. Πιο συγκεκριμένα προτείνεται μια οικογένεια ευρετικών αλγορίθμων για την γρήγορη και αποδοτική συλλογή δεδομένων από δίκτυα τα οποία χαρακτηρίζονται από έντονη και δυναμική κινητικότητα των κόμβων. Επιπλέον, μελετώνται οι τυχαίοι περίπατοι ως απλές, αποδοτικές στρατηγικές κίνησης κέντρων ελέγχου για την συλλογή δεδομένων σε δίκτυα αισθητήρων με στατικούς κόμβους. Για την αναπαράσταση των δικτύων χρησιμοποιούνται τα μοντέλα του πλέγματος και των τυχαίων γεωμετρικών γράφων. Στην δεύτερη ενότητα μελετώνται δύο πρόσφατα θεμελιωμένα προβλήματα στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (σχετιζόμενα με πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις) και παρουσιάζονται αντίστοιχες πρωτότυπες προσεγγίσεις. Το πρώτο πρόβλημα εξετάζει την διαδρόμηση δεδομένων με πρωτόκολλα χαμηλής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας υπό το πρίσμα των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι το πρόβλημα ανάγεται ευρύτερα σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα. Το δεύτερο πρόβλημα εξετάζει την διαχείριση ενέργειας σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων στα οποία μία ειδική μονάδα κινούμενη μέσα στο δίκτυο επαναφορτίζει τους κόμβους μέσω ασύρματης μετάδοσης ενέργειας. Στην τρίτη ενότητα παρουσιάζονται μια σειρά πρότυπων συστημάτων και εφαρμογών του Μελλοντικού Διαδικτύου, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Τα συστήματα συνδυάζουν τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων με την νέας γενιάς στοίβα πρωτοκόλλων επικοινωνίας IPv6 καθιστώντας δυνατή την απρόσκοπτη και διαφανή επικοινωνία των κόμβων του δικτύου με το Διαδίκτυο και τον έξω κόσμο. Οι εφαρμογές των συστημάτων περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ενός έξυπνου/πράσινου δωματίου και αντίστοιχων σεναρίων χρήσης του με δυνατότητες απομακρυσμένου ελέγχου μέσω Διαδικτύου (προσωποποίηση της συμπεριφοράς του δωματίου στον χρήστη, αλληλεπίδραση του δωματίου στην φυσική παρουσία, ασφαλής εκκένωση κτηρίου σε συνθήκες κινδύνου, κ.α.), την ανάπτυξη πρότυπου συστήματος έξυπνης άρδευσης, τον εντοπισμό θέσης με υψηλή ακρίβεια σε εσωτερικό χώρο, καθώς και την επεξεργασία κοινωνικής σηματοδότησης κατά την διάρκεια ανθρώπινων αλληλεπιδράσεων. Με την παρούσα διδακτορική διατριβή κλείνει ένας κύκλος έρευνας που διήρκεσε κάτι λιγότερο από πέντε χρόνια. Ωστόσο, αρκετά θέματα θα αποτελέσουν και στο μέλλον πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Η εκπεμπόμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατά την διάρκεια ασύρματων μεταδόσεων δεδομένων είναι ένα αμφιλεγόμενο ζήτημα από την πλευρά της ασφάλειας της δημόσιας υγείας. Πιστεύουμε όμως ότι αξίζει να μελετηθεί και από τον κλάδο της Επιστήμης των Υπολογιστών καθώς το πλήθος των ασύρματων δικτύων και η πυκνότητα της περιρρέουσας ακτινοβολίας στην καθημερινή μας ζωή ολοένα και αυξάνεται. Ένα δεύτερο πεδίο έρευνας αναδύεται από την πραγμάτωση του Διαδικτύου των Αντικειμένων και τις δυνατότητες που αυτό παρέχει στα πλαίσια του Μελλοντικού Διαδικτύου. Ενδεικτικά αναφέρεται η ανάδειξη νέων μοντέλων δικτύων στα πρότυπα των κοινωνικών δικτύων, τα οποία θα περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε ανθρώπους και σε αντικείμενα. Καλή Ανάγνωση. / The Internet is undoubtedly the biggest breakthrough in dissemination of information since the era of Gutenberg and the printing press that has radically changed the way of communication and interaction among people. At the core of the Internet lie technologies which are developed to achieve communication between heterogeneous systems and networks. In this way, while the Internet initially consisted exclusively of computer networks, it then incorporated other types of networks as well, such as land line telephone networks, cellular networks, satellite networks, social networks and so on. Nowadays, the Internet is a meta-network of networks which continues to expand and relevant enabling technologies continue to evolve. In the foreseeable future, the Internet will also include embedded control systems, thus realizing the vision of the Internet of Things. The main enabling technology of the Internet of Things vision is Wireless Sensor Networks (WSNs). Wireless Sensor Networks are a special class of distributed and self-organized networks which promise to bridge the gap between the physical and digital world. A WSN consists of small autonomous devices with minimal computational capabilities that are equipped with digital sensors. These devices collect data from their immediate environment and working collaboratively with each other, propagate them via multi-hop transmissions. In this way, although each node of the network is characterized by significant limitations (in terms of computational power, energy reserves, wireless communication capabilities, etc.) the formed networks are able to carry out difficult computational problems and thus to generate and route large amounts of information. The dissertation that you hold in your hands is the product of original and novel research on several aspects of efficient data collection from Wireless Sensor Networks. Corresponding research findings have been published in prestigious scientific journals and competitive, peer-reviewed international conferences. The dissertation is organized into three parts. In the first part mobility aspects of Wireless Sensor Networks are studied. More specifically, a family of heuristic algorithms is proposed for fast and efficient data collection in networks that are characterized by diverse and dynamic node mobility. Moreover, random walks are studied as simple, efficient mobility strategies for data collection in sensor networks in which sensor motes are stationary. Sensor networks are modeled either as Grids or as Random Geometric Graphs. In the second part two recently acquired problems in Wireless Sensor Networks (associated with recent technological advances) are studied. The first problem examines data routing protocols that yield low electromagnetic radiation in the context of Wireless Sensor Networks. The second problem examines energy management in Wireless Sensor Networks in which a special unit (namely the Charger) traverses the network area and is able to recharge sensor motes via wireless energy transfer. In the third part a series of prototype systems and applications for the Future Internet that have been developed in the context of this dissertation are presented. These systems combine Wireless Sensor Networks with the new generation, IPv6 Internet protocol stack, thus allowing seamless and transparent communication between sensor motes and the rest of the Internet world. These systems include the development of a smart / green room and corresponding use-case scenarios (room adaptation to human presence, safe evacuation in emergency conditions, etc.), the development of a prototype smart irrigation system, fine grained in-door localization, and social signal processing. This dissertation concludes a research cycle, which lasted a little less than five years. However, there is more than enough space for future research. The emitted electromagnetic radiation during wireless data transmissions is a controversial issue in terms of public health. However, we believe that it worth’s to be studied from an ICT point of view as the number of wireless networks in our everyday life keeps growing. A second area of research emerges from the realization of the Internet of Things vision and the opportunities it provides as part of the Future Internet; for instance the emergence of a new social network paradigm, that will capture interactions between humans and objects.

Τα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό μικρών αυτόνομων συσκευών, που αλληλεπιδρούν με το άμεσο περιβάλλον τους μέσω αισθητήρων, συλλέγουν δεδομένα και τα προωθούν προς ένας σταθερό, συνήθως, κέντρο ελέγχου, με αναμεταδόσεις στους ενδιάμεσους κόμβους. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη κατανάλωση ενέργειας στις συσκευές, ιδιαίτερα σε αυτές που βρίσκονται κοντά στο κέντρο ελέγχου, αφού πρέπει να αναμεταδίδουν και τα δεδομένα που φτάνουν από το υπόλοιπο δίκτυο προς το κέντρο ελέγχου. Για την επίτευξη μιας πιο ισορροπημένης και αποδοτικής διαδικασίας συλλογής δεδομένων, τα τελευταία χρόνια έχει υιοθετηθεί μια νέα προσέγγιση, όπου το κέντρο ελέγχου είναι κινητό. Η βασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σημαντικά και εύκολα ανανεώσιμα αποθέματα ενέργειας, επομένως μπορεί να κινείται στην περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το δίκτυο αισθητήρων, αναλαμβάνοντας να συλλέξει τα δεδομένα από τους κόμβους με πολύ μικρό κόστος. Ωστόσο, η μετάδοση των δεδομένων μπορεί να παρουσιάζει σημαντικές καθυστερήσεις. Συλλογή δεδομένων με προσαρμοστικούς χρόνους αναμονής: Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα ελέγχου της κίνησης ενός κέντρου ελέγχου σε δίκτυο αισθητήρων με ανομοιογενή ανάπτυξη των κόμβων αισθητήρων, με στόχο την αποδοτική, ως προς την ενέργεια και τον χρόνο παράδοσης, συλλογή των δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά παρουσιάζεται ένα πρωτόκολλο με βάση το οποίο το κέντρο ελέγχου διαιρεί νοητά το δίκτυο σε περιοχές τις οποίες και επισκέπτεται διαδοχικά, σταματώντας σε κάθε περιοχή για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ώστε να συλλέξει τα δεδομένα. Προτείνουμε δύο τρόπους κίνησης του κέντρου ελέγχου, ντετερμινιστικό και τυχαίο. Στην τυχαία κίνηση, η επιλογή της επόμενης περιοχής την οποία θα επισκεφτεί το κέντρο ελέγχου γίνεται με τυχαίο τρόπο, εισάγοντας όμως ένα όρο μεροληψίας, έτσι ώστε να προτιμούνται περιοχές που έχουν δεχτεί λιγότερες επισκέψεις. Επιπλέον η μέθοδός μας αποφασίζει το χρόνο παύσης σε κάθε περιοχή λαμβάνοντας υπόψιν κάποιες βασικές παραμέτρους του δικτύου, όπως τα αρχικά αποθέματα ενέργειας των κόμβων αισθητήρων και την πυκνότητα της κάθε περιοχής, έτσι ώστε να παραμένει περισσότερο χρόνο σε περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα, άρα και μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γρήγορη κάλυψη όλου του δικτύου, καθώς επίσης και η δίκαιη εξυπηρέτηση των επιμέρους περιοχών του δικτύου. Προσαρμοστικοί τυχαίοι περίπατοι Στη συνέχεια, μελετάται η χρήση τυχαίων περιπάτων κατά την κίνηση του κέντρου ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων με στόχο την επίτευξη ενός ικανοποιητικού σημείου ισορροπίας μεταξύ κατανάλωσης ενέργειας και καθυστέρησης στην παράδοση των μηνυμάτων. Για την ικανοποίηση του στόχου αυτού, προτείνουμε τρεις νέους τυχαίους περιπάτους, τους α) Τυχαίος Περίπατος με Αδράνεια, κατά τον οποίο το κινούμενο αντικείμενο τείνει να διατηρεί την ίδια κατεύθυνση στην κίνησή του όσο ανακαλύπτει κόμβους αισθητήρων που δεν έχει επισκεφτεί και αλλάζει την κατεύθυνσή του όταν φτάνει σε κόμβους που έχει ξαναεπισκεφτεί, β) Explore-and-Go, κατά τον οποίο το κινούμενο αντικείμενο τείνει να εκτελεί μια Brownian κίνηση γύρω από την περιοχή του όσο υπάρχουν κόμβοι που δεν έχουν δεχτεί επίσκεψη, γ) Curly Random Walk, όπου το κινούμενο αντικείμενο διαπερνάει όλη την περιοχή του δικτύου ξεκινώντας από το κέντρο και επεκτείνοντας την κίνησή του με συνεχόμενες κυκλικές κινήσεις προς τα έξω. Για την εφαρμογή των τυχαίων περιπάτων χρησιμοποιούμε ένα νοητό πλέγμα ώστε να καλύπτουμε την περιοχή του δικτύου αισθητήρων• οι περίπατοι κινούνται πάνω στους κόμβους του πλέγματος. Αν και στις περισσότερες περιπτώσεις οι τυχαίοι περίπατοι μελετώνται σε Gn,p και Grid γράφους, τα δίκτυα αισθητήρων μοντελοποιούνται με μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Random Geometric Graphs (RGG), εφόσον έτσι αναπαρίσταται καλύτερα η χωρική εγγύτητα του δικτύου. Οι παραπάνω τυχαίοι περίπατοι δεν δίνουν τα επιθυμητά αποτελέσματα όταν τρέχουν σε RGG. Έτσι οδηγηθήκαμε στο σχεδιασμό ενός νέου τυχαίου περιπάτου, του γ-Stretched Random Walk, η βασική ιδέα του οποίου είναι να μεροληπτεί υπέρ της επίσκεψης των πιο μακρινών γειτόνων του τρέχοντος κόμβου έτσι ώστε να μειώσει στο ελάχιστο τις επικαλύψεις στις επισκέψεις. Αλγόριθμοι που λαμβάνουν υπόψιν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο δίκτυο: Εκτός από τη μελέτη της κίνησης του κέντρου ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων, στη διατριβή αυτή παρουσιάζεται μια πρώτη προσπάθεια μελέτης θεμάτων σχετικά με την επίγνωση της εκπομπή ακτινοβολίας σε περιβάλλοντα όπου λειτουργούν πολλαπλά ετερογενή ασύρματα δίκτυα. Ως ακτινοβολία σε ένα σημείου του τρισδιάστατου χώρου καλούμε τη συνολική ποσότητητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που δέχεται το σημείο αυτό. Έτσι, καταρχάς μελετάμε σε αναλυτικό επίπεδο την ακτινοβολία σε διάφορες γνωστές τοπολογίες (τυχαίες, πλέγματα) και κατόπιν επικεντρώνουμε το ενδιαφέρον μας στην εύρεση ενός μονοπατιού ελάχιστης ακτινοβολίας το οποίο ακολουθείται από κάποιο άτομο που κινείται στην περιοχή που καλύπτεται από ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Προτείνουμε τρεις ευρετικές μεθόδους για την εύρεση του μονοπατιού καθώς το άτομο κινείται, ενώ υπολογίζουμε και την οffline λύση χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ελάχιστου μονοπατιού. Κατόπιν, εξετάζουμε το θεμελιώδες πρόβλημα της διάδοσης των δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, προσπαθώντας τόσο να παραμείνει γρήγορη η διαδικασία παράδοσης των μηνυμάτων, παράλληλα όμως και η συνολική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται από τις συνεχείς ασύρματες μεταδόσεις να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα. Αυτό επιτυγχάνεται αρχικά χρησιμοποιώντας κάποιες άπληστες ευρετικές μεθόδους που όμως λαμβάνουν υπόψιν την ακτινοβολία. Επιπλέον, οι μέθοδοι αυτοί συνδυάζονται με μεθόδους που πραγματοποιούν back-off στο χρόνο, χρησιμοποιώντας τοπικές ιδιότητες του δικτύου (όπως ο αριθμός γειτόνων, η απόσταση από το κέντρο ελέγχου), έτσι ώστε «απλωθεί» κατά κάποιο τρόπο η ακτινοβολία τόσο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Τα προτεινόμενα πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας ποικίλες τιμές για βασικές παραμέτρους του δικτύου και σύγκρινοντάς τα με σχετικές υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές μεθόδους. Συστημικές Εφαρμογές: Τέλος, στη διατριβή παρουσιάζονται κάποιες συστημικές εφαρμογές ασύρματων δικτύων αισθητήρων σε κτίρια. Συγκεκριμένα, η πρώτη εφαρμογή αναλαμβάνει σε περίπτωση ανίχνευσης φωτιάς, την εύρεση του ελάχιστου μονοπατιού μακριά από το σημείο όπου έγινε η ανίχνευση. Επιπλέον, παρέχει καθοδήγηση στους ενοίκους του κτιρίου (οι οποίοι μοντελοποιούνται από ένα κινούμενο ρομπότ) έτσι ώστε να εγκαταλείψουν με ασφάλεια το κτίριο. Η επόμενη εφαρμογή παρουσιάζει τη δυνατότητα της απρόσκοπτης διασύνδεσης αυτοματισμών έξυπνων κτιρίων, αποτελούμενων από ενσωματωμένα συστήματα, στο διαδίκτυο και την αφαιρετικοποίησή τους ως απλά web services. Η προσέγγιση αυτή έχει στόχο την δημιουργία ενός ευέλικτου, εύκολα κλιμακώσιμου συστήματος που είναι προσβάσιμο και ελεγχόμενο απομακρυσμένα. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε και παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμού αισθητήρων μέσα σε ένα κτίριο, οι οποίοι αποκτούν IPv6 διεύθυνση ώστε να είναι προσβάσιμοι διαδικτυακά, ενώ παράλληλα διασυνδέονται με ηλεκτρικές συσκευές του κτιρίου για σχηματισμό αυτοματισμών. Τέλος αναπτύχθηκε μία web εφαρμογή για απομακρυσμένη διαχείριση του δικτύου και του κτιρίου γενικότερα. / Wireless Sensor Networks consist of a large number of small, autonomous devices, that are able to interact with their environment by sensing and collaborate to fulfill their tasks, as, usually, a single node is incapable of doing so; and they use wireless communication to enable this collaboration. The collected data is disseminated to a static control point – data sink in the network, using node to node - multi-hop data propagation. However, sensor devices consume significant amounts of energy in addition to increased implementation complexity, since a routing protocol is executed. Also, a point of failure emerges in the area near the control center where nodes relay the data from nodes that are farther away. Recently, a new approach has been developed that shifts the burden from the sensor nodes to the sink. The main idea is that the sink has significant and easily replenishable energy reserves and can move inside the area the sensor network is deployed, in order to acquire the data collected by the sensor nodes at very low energy cost. However, the need to visit all the regions of the network may result in large delivery delays. Data collection with biased stop times: In this work we have developed protocols that control the movement of the sink in wireless sensor networks with non-uniform deployment of the sensor nodes, in order to succeed an efficient (with respect to both energy and latency) data collection. More specifically, we first propose a protocol, where the sink partitions the network area in equal square regions and then performs a network traversal by visiting each area sequentially. Also, it pauses in each area for a certain amount of time, in order to collect the data. Two network traversal methods are proposed, a deterministic and a random one. When the sink moves in a random manner, the selection of the next area to visit is done in a biased random manner depending on the frequency of visits of its neighbor areas. Thus, less frequently visited areas are favored. Moreover, our method locally determines the stop time needed to serve each region with respect to some global network resources, such as the initial energy reserves of the nodes and the density of the region, stopping for a greater time interval at regions with higher density, and hence more traffic load. In this way, we achieve accelerated coverage of the network as well as fairness in the service time of each region. Besides randomized mobility, we also propose an optimized deterministic trajectory without visit overlaps, including direct (one-hop) sensor-to-sink data transmissions only. Adaptive random walks: Afterwards, in order to achieve satisfactory energy-latency trade-offs the use of random walks for the sink' s motion pattern is studied. Towards this direction three new random walks evaluated on a grid overlaying the wireless sensor network are proposed. The first one is the Random Walk with Inertia where the sink tends to keep the same direction as long as it discovers new nodes, while changing direction when it encounters already visited ones. The second one is the Explore-and-Go Random Walk, where as long as there are undiscovered nodes on the nearby sub-regions of the network it tends to make a Brownian-like motion until all this area is covered. When no new sensors are discovered, it performs a more or less straight-line walk in order to move to a different, possibly unvisited area. The last one is the Curly Random Walk where the sink traverses the network area beginning from the center and expanding its traversal to the entire network area with consecutive circular-like moves. In random walk studies the Gn,p and Grid graph models are well established. However, wireless sensor networks are more accurately modeled via Random Geometric Graphs (RGG), as RGG better capture certain characteristics of WSN's such as link existence dependencies of neighbouring nodes due to geometric proximity. The above mentioned random walks do not behave well on this particular graph model, thus a new random walk was defined, the so called γ-stretched random walk. Its basic idea is to favour visiting distant neighbours of the current node towards reducing node overlap. Radiation-aware algorithms: Except for the issue of mobility in wireless sensor networks, in this work we also attempt (probably for the first time from a distributed networking perspective) to investigate the aspect of electromagnetic radiation in modern and future heterogeneous wireless networks. We call “radiation” at a target elementary surface the total amount of electromagnetic quantity (in terms of energy or power density) it is exposed to. Thus, we first evaluate, both mathematically and by simulation, the radiation in well known sensor network topologies (random, grid) and then focus on the minimum radiation path problem of finding low radiation trajectories for a person moving in a sensor network. We propose three online heuristics and then we identify the (offline) optimum path given by the shortest paths' algorithm. Afterwards, we focus on the fundamental problem of efficient data propagation in wireless sensor networks, trying to keep latency low while maintaining at low levels the radiation cumulated by wireless transmissions. We first propose greedy and oblivious routing heuristics that are radiation aware. We then combine them with temporal back-off schemes that use local properties of the network (e.g. number of neighbours, distance from sink) in order to “spread” radiation in a spatio-temporal way. Al the proposed protocols were evaluated via simulation, in diverse network settings and comparatively to related state of the art solutions. Systems and applications: Finally, in this work we present two applications of wireless sensor networks in buildings. More specifically, the first application, in the event of a fire inside a monitored building, uses the information from the deployed sensor network in order to find the shortest safest path away from the emergency and provides navigation guidance to the occupants (modelled by a mobile robot), in order to safely evacuate the building. The second application addresses networked embedded systems enabling the seamless interconnection of smart building automations to the Internet and their abstractions as web services, using the latest technologies based on IPv6, such as 6LOWPAN, COAP and RESTLess Architecture.

Το κυρίως αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι ο σχεδιασμός και η ανάλυση αποκεντρωμένων τεχνικών ελέγχου για επίτευξη μέγιστης κάλυψης από κινούμενα δίκτυα αισθητήρων. Λόγω των πολλών εφαρμογών αυτών σε αποστολές σχετιζόμενες με εξερεύνηση περιοχών ενδιαφέροντος, περιβαλλοντική δειγματοληψία, φύλαξη ή ακόμα και θέματα ασφάλειας, μία μεγάλη μερίδα της επιστημονικής κοινότητας έχει στρέψει το ενδιαφέρον της στην ανάπτυξη μεθόδων για βέλτιστη (ει δυνατόν) περιβαλλοντική αντίληψη μέσω αισθητήρων από αυτόνομες ομάδες ρομποτικών συστημάτων. Τέτοιες ομάδες, συνήθως τοποθετούμενες αρχικώς στις περιοχές ενδιαφέροντος, σχεδιάζονται με στόχο τον αποκεντρωμένο έλεγχό τους, αντί ενός καθολικού εποπτικού συστήματος, με στόχο να επιτύχουν στην εκάστοτε αποστολή. Στα πρώτα στάδια της διατριβής αυτής, το πρόβλημα της κάλυψης μιας περιοχής ενδιαφέροντος από μία ομάδα όμοιων κόμβων αναλύεται από υπολογιστική σκοπιά. Οι κινούμενοι κόμβοι υποθέτονται ότι υπακούν σε απλοϊκό κινηματικό μοντέλο διακριτού χρόνου, ενώ η αισθητήρια επίδοσή τους θεωρείται ακτινική, περιορισμένης εμβέλειας, ομοιόμορφη γύρω από τον κόμβο. Σαν πρώτη προσέγγιση, η κατεύθυνση σε κάθε χρονική στιγμή για βέλτιστη κάλυψη καθορίζεται βάσει τεχνικών διαμέρισης του χώρου βασιζόμενες στην έννοια της απόστασης. Η αναπτυσσόμενη στρατηγική επιτρέπει σταδιακή αύξηση της καλυπτόμενης επιφάνειας μεταξύ διαδοχικών βημάτων, ενώ έχει ως απαίτηση την κίνηση ενός μόνο επιτρεπτού κόμβου τη φορά. Στη συνέχεια, το προαναφερθέν σχέδιο επεκτείνεται για την περίπτωση ετερογενών δικτύων, όπου η ετερογένεια αντικατοπτρίζεται στις άνισες εμβέλειες απόδοσης αίσθησης των κόμβων. Επιπροσθέτως, επέκταση σε μοντέλο συνεχούς χρόνου επιτρέπει την κίνηση όλων των κόμβων του δικτύου ταυτόχρονα, αυξάνοντας ιδιαίτερα τον χρόνο σύγκλισης προς την βέλτιστη κατάσταση, ειδικά για μεγάλης κλίμακας δίκτυα. Μία εναλλακτική διαμέριση του χώρου αναπτύσσεται, η οποία βασίζεται κυρίως στα αισθητήρια μοτίβα των κόμβων, παρά στις θέσεις των κόμβων καθεαυτές. Τα παραγόμενα κελιά του χώρου ανατιθέμενα στους κόμβους αποτελούν τον βασικό πυρήνα του αλγόριθμου οργάνωσης, με στόχο την αποκεντρωμένη οργάνωση της κινούμενης ομάδας, ώστε να επιτύχει βέλτιστη απόδοση κάλυψης. Υποκινούμενοι από την υψηλού–βαθμού ανισοτροπία που χαρακτηρίζει κάποιους τύπους αισθητήρων, όπως κατευθυντικά μικρόφωνα για ανίχνευση ήχου σε εφαρμογές ασφάλειας, ή ακόμα μοτίβα εκπομπής/λήψης κατευθυντικών κεραιών σε σενάρια τηλεπικοινωνιακής κάλυψης, η έρευνά μας επεκτείνεται πέραν του κλασσικού ακτινικού μοντέλου δίσκου αίσθησης. Βασιζόμενοι σε συγκεκριμένες ιδιότητες για επίπεδες κυρτές καμπύλες, μια αποκεντρωμένη στρατηγική οργάνωσης αναπτύχθηκε για δίκτυα που χαρακτηρίζονται από κυρτά αισθητήρια μοτίβα ίδιας κατευθυντικότητας. Παρότι η κυρτότητα των συνόλων αίσθησης φαίνεται να θέτει ένα μεγάλου βαθμού περιορισμό στο συνολικό πρόβλημα, στην πραγματικότητα προσπερνάται μέσω ανάθεσης αυτών ως το μέγιστο κυρτό χωρίο που εγγράφεται στο πρωταρχικώς ανισοτροπικό μοτίβο. Το σχήμα ελέγχου επεκτείνεται στη συνέχεια για την περίπτωση όπου εισάγουμε ένα επιπλέον βαθμό ελευθερίας στις κινηματικές ικανότητες των κόμβων, ενσωματώνοντας έτσι διαφορετικές και χρονικά μεταβαλλόμενες κατευθυντικότητες μεταξύ των μοτίβων αυτών. Το παραγόμενο πλάνο ελέγχου αποδεικνύεται ότι οδηγεί ανισοτροπικά δίκτυα σε βέλτιστες τοπολογίες, αναφορικά με τα αισθητήρια μοτίβα τους, ελέγχοντας κατάλληλα ταυτόχρονα την θέση και προσανατολισμό, μέσω ενός καινοτόμου σχήματος κατακερματισμού του χώρου βασιζόμενο στο εκάστοτε μοτίβο. Η διατριβή κλείνει με την μελέτη δικτύων με περιορισμούς στην εμβέλεια επικοινωνίας αναφορικά με την μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των κόμβων. Στην πλειονότητα των σχετικών εργασιών, το ζήτημα αυτό προσπερνάται επιτρέποντας στην εμβέλεια επικοινωνίας να είναι τουλάχιστον διπλάσια αυτής της (ομοιόμορφης) αίσθησης, εγγυώντας έτσι την αποκεντρωμένη φύση των πλάνων ελέγχου. Ο προτεινόμενος έλεγχος επιτρέπει την αποσύζευξη μεταξύ των δύο αυτών εμβελειών, οδηγώντας το δίκτυο στην βέλτιστη κατάσταση, μέσω ταυτόχρονου σεβασμού του εκάστοτε, εκ των προτέρων δοσμένου, περιορισμού στην εμβέλεια επικοινωνίας. Συγκεντρωτικά συμπεράσματα και συγκριτική ανάλυση παρουσιάζονται στο τελευταίο κεφάλαιο, ενώ προτείνονται μελλοντικά πλάνα επέκτασης των τεχνικών αυτών. / The main scope of this thesis is the design and analysis of distributed control strategies for achieving optimum area coverage in mobile sensor networks. Due to the numerous applications of the latter in missions as area exploration, environmental sampling, patrolling, or even security, a large part of the scientific community has turned its interest on developing methods for achieving optimum, if possible, sensing environmental perception by groups of autonomous mobile agents. Such robotic teams, randomly deployed in areas of interest initially, are designed to coordinate their motion in a distributed manner, rather than via a global supervisory system, in order to succeed in the corresponding mission objective. At the first stages of this thesis, the coverage problem of an area of interest by a group of identical nodes is examined from a numerical point of view. The mobile nodes are considered to be governed by simple discrete–time kinodynamic motion, while their sensing performance is assumed radial, range–limited, uniform around the node. As a first approach, the optimum direction at each time step for optimum deployment achievement is determined based on proper distance–based space partitioning techniques. The developed concept allows for gradual increase in the covered area among consecutive steps, although suffers from allowing motion of one node at a time. In the sequel, the aforementioned concept is extended to the case of heterogeneous networks, where heterogeneity lays mainly in the unequal limited–range of the sensing performance of the nodes. In addition, extension to continuous–time allows for simultaneous motion of the nodes, increasing drastically the convergence time towards the optimal state, especially for large–scale networks. An alternate partitioning of the space is developed that is mainly based on the nodes’ footprints, rather than their spatial positions only. The resulting assigned cells form the main core for the coordination algorithm proposed, in order to distributedly organize the mobile swarm to achieve optimum sensing performance. Motivated by the high–degree anisotropy that governs the sensing domains of certain types of sensors, i.e. directional microphones for sound sensing mainly for security applications, or even the radiation patterns of directional antennas in communication–coverage scenarios, our research is extended beyond the standard disc model of sensing. Based on certain properties for planar convex curves, a distributed strategy is developed for networks characterized by convex sensing domains of same orientation. Although convexity of the sensing sets may seem to impose a high level restriction to the overall setup, in fact can be assigned as the maximal convex inscribed set in any (originally) anisotropic pattern. The control scheme is further extended, in the sequel, for the case of adding an extra degree of freedom to the node’s mobility abilities, incorporating different and time–varying orientations among the nodes patterns. The resulting scheme is proven to lead anisotropic networks in optimum configurations, considering their sensing footprints, by properly controlling both the nodes’ positions and orientations, via an innovative pattern–based partitioning scheme of the sensed space. The thesis ends by examining the case where radio–range constraints are imposed on inter–agents communication. In the majority of the related works, this issues is usually overcome by allowing RF range as double the sensing one, guaranteeing that way distributed nature of the control schemes. The proposed scheme allows for uncorrelated RF and sensing ranges in the network, while guarantees convergence of the network towards the optimal state, via simultaneous preservation of a–priori imposed radio–range constraints. Concluding remarks along with comparative discussion are presented in the last chapter, where future research plans and ways to improve the already developed schemes are proposed.

Τα ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων είναι μια πρόσφατη κατηγορία αδόμητων υπολογιστικών δικτύων, τα οποία αποτελούνται από κόμβους με μικρό μέγεθος και περιορισμένους υπολογιστικούς και ενεργειακούς πόρους. Τέτοιοι κόμβοι έχουν δυνατότητες μέτρησης φυσικών μεγεθών (όπως πχ. θερμοκρασία, υγρασία, κ.α.), ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ τους, και σε κάποιες περιπτώσεις αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον τους (μέσω κατάλληλων ηλεκτρομηχανικών μερών). Καθώς τα δίκτυα αυτά έχουν αρχίσει να γίνονται πιο προσιτά (από άποψη κόστους και διαθεσιμότητας hardware), το πεδίο εφαρμογής και η φιλοσοφία χρήσης τους συνεχώς εξελίσσεται και διευρύνεται. Έτσι, έχουμε παραδείγματα εφαρμογών από παρακολούθηση της βιοποικιλότητας μιας περιοχής έως την παρακολούθηση στατικότητας κατασκευών, και δίκτυα με πλήθος κόμβων από δεκάδες έως και εκατοντάδες ή και χιλιάδες κόμβων. Κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με τις εξής βασικές ερευνητικές κατευθύνσεις που αφορούν στα συγκεκριμένα δίκτυα: α) την εξομοίωσή τους, β) την ανάπτυξη πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας κατάλληλων για αυτά τα δίκτυα και τη μελέτη της απόδοσής τους μέσω εξομοίωσης, γ) τη μοντελοποίηση εχθρικών συνθηκών («εμποδίων») σε ένα τέτοιο δίκτυο και την εφαρμογή τους στο επίπεδο της εξομοίωσης, δ) την ανάπτυξη εφαρμογών για τη διαχείρισή τους. Στο σκέλος της εξομοίωσης, δόθηκε αρχικά έμφαση στην αποδοτική εξομοίωση τέτοιου τύπου δικτύων με μέγεθος αρκετών χιλιάδων κόμβων, και στα πλαίσια της έρευνας μας αναπτύχθηκε ένα περιβάλλον εξομοίωσης (simDust), με δυνατότητα προσθήκης νέων πρωτοκόλλων καθώς και οπτικοποίησης. Το περιβάλλον αυτό χρησιμοποιήθηκε ακολούθως για την επέκταση και πειραματική αξιολόγηση ορισμένων χαρακτηριστικών υπαρχόντων πρωτοκόλλων διάδοσης πληροφορίας σε ασύρματα δίκτυα μικροαισθητήρων. Παράλληλα, αναπτύξαμε ένα νέο πρωτόκολλο και κάναμε μια σύγκριση της απόδοσής του με άλλα αντίστοιχα πρωτόκολλα. Η πειραματική μας αξιολόγηση έδειξε ότι το νέο πρωτόκολλο, το οποίο βασίζεται σε δυναμικές αλλαγές της ακτίνας μετάδοσης των κόμβων του δικτύου, συμπεριφέρεται αποδοτικότερα από άλλα πρωτόκολλα της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, και συγκεκριμένα σε δίκτυα με εμπόδια και ανομοιογενή ανάπτυξη των αισθητήρων. Στη συνέχεια, δόθηκε έμφαση στην προσθήκη «ρεαλιστικών» συνθηκών κατά τη διάρκεια της εξομοίωσης τέτοιων πρωτοκόλλων, οι οποίες να λειτουργούν ανταγωνιστικά ως προς τα πρωτόκολλα αυτά. Σκοπός μας ήταν να προταθεί ένα μοντέλο, το οποίο να μπορεί να περιγράψει συνθήκες που περιορίζουν την αποτελεσματικότητά τους. Συγκεκριμένα, προτείναμε και υλοποιήσαμε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ``εμποδίων'', το οποίο εισάγει μικρή πρόσθετη υπολογιστική πολυπλοκότητα σε έναν εξομοιωτή, ενώ παράλληλα για να εξετάσουμε την επίδρασή του εστιάσαμε σε πρωτόκολλα τα οποία χρησιμοποιούν γεωγραφική γνώση (απόλυτη ή σχετική) για να δρομολογήσουν την πληροφορία μέσα σε ένα δίκτυο ασύρματων μικροαισθητήρων. Τέτοια πρωτόκολλα είναι σχετικά ευαίσθητα σε δυναμικές αλλαγές της τοπολογίας και των συνθηκών του δικτύου. Μέσω πειραματικής αξιολόγησης δείξαμε την σημαντική επίδραση που μπορούν να έχουν συγκεκριμένες αντίξοες συνθήκες μέσα στο δίκτυο στην απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων. Στο σκέλος των εφαρμογών, προτείναμε αρχικά μια αρχιτεκτονική (WebDust/ShareSense) για ένα σύστημα διαχείρισης τέτοιων δικτύων, το οποίο να παρέχει βασικές δυνατότητες δημιουργίας εφαρμογών για τέτοια δίκτυα σε συνδυασμό με επεκτασιμότητα. Χαρακτηριστικά που ξεχωρίζουν είναι η δυνατότητα διαχείρισης πολλαπλών ετερογενών ασύρματων δικτύων μικροαισθητήρων, η ανοικτότητα, η χρήση peer-to-peer αρχιτεκτονικής για τη διασύνδεση πολλών διαφορετικών δικτύων. Υλοποιήθηκε μέρος του προτεινόμενου συστήματος, ενώ στη συνέχεια το σύστημα αναθεωρήθηκε σε ότι αφορά την αρχιτεκτονική του και εμπλουτίστηκε με πρόσθετες δυνατότητες παρουσίασης. / Wireless sensor networks are a recently introduced category of ad hoc computer networks, which are comprised by nodes of small size and limited computing and energy resources. Such nodes are able of measuring physical properties such as temperature, humidity, etc., wireless communication between each other and in some cases interaction with their surrounding environments (through the use of electromechanical parts). As these networks have begun to be widely available (in terms of cost and commercial hardware availability), their field of application and philosophy of use is constantly evolving. We have numerous examples of their applications, ranging from monitoring the biodiversity of a specific outdoor area to structural health monitoring of bridges, and also networks ranging from few tens of nodes to even thousands of nodes. In this PhD thesis we investigated the following basic research lines related to wireless sensor networks: a) their simulation, b) the development of data propagation protocols suited to such networks and their evaluation through simulation, c) the modelling of ``hostile'' circumstances (obstacles) during their operation and evaluation of their impact through simulation, d) the development of a sensor network management application. Regarding simulation, we initially placed an emphasis to issues such as the effective simulation of networks of several thousands of nodes, and in that respect we developed a network simulator (simDust), which is extendable through the addition of new data propagation protocols and visualization capabilities. This simulator was used to evaluate the performance of a number of characteristic data propagation protocols for wireless sensor networks. Furthermore, we developed a new protocol (VRTP) and evaluated its performance against other similar protocols. Our studies show that the new protocol, that uses dynamic changes of the transmission range of the network nodes, performs better in certain cases than other related protocols, especially in networks containing obstacles and in the case of non-homogeneous placement of nodes. Moreover, we emphasized on the addition of ``realistic'' conditions to the simulation of such protocols, that have an adversarial effect on their operation. Our goal was to introduce a model for obstacles that adds little computational overhead to a simulator, and also study the effect of the inclusion of such a model on data propagation protocols that use geographic information (absolute or relative). Such protocols are relatively sensitive to dynamic topology changes and network conditions. Through our experiments, we show that the inclusion of obstacles during simulation can have a significant effect on these protocols. Finally, regarding applications, we initially proposed an architecture (WebDust/ShareSense), for the management of such networks, that would provide basic capabilities of managing such networks and developing applications above it. Features that set it apart are the capability of managing multiple heterogeneous sensor networks, openess, the use of a peer-to-peer architecture for the interconnection of multiple sensor network. A large part of the proposed architecture was implemented, while the overall architecture was extended to also include additional visualization capabilities.

Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν μια νέα κατηγορία δικτύων υπολογιστών. Αποτελούνται από ένα μεγάλο πλήθος υπολογιστικών κόμβων μικροσκοπικού μεγέθους, εφοδιασμένων με πλήθος αισθητήρων και μονάδων ελέγχου. Σκοπός τους είναι η επίτευξη μιας δύσκολης, για τα δεδομένα του κάθε κόμβου, αποστολής μέσω της συνεργασίας μεταξύ όλων των κόμβων του δικτύου. Τα δίκτυα αυτά αντιμετωπίζονται με μεγάλο ενδιαφέρον από την ερευνητική κοινότητα τα τελευταία χρόνια. Έτσι, έχει προταθεί πλήθος από πρωτόκολλα διάδοσης πληροφορίας, πιθανές εφαρμογές, έχει υλοποιηθεί πλήθος λογισμικού, κτλ. Υπάρχει όμως περιορισμός στα διαθέσιμα εργαλεία για την ανάπτυξη εφαρμογών σε τέτοια δίκτυα, το οποίο σημαίνει από τη μια περιορισμό των διαθέσιμων δυνατοτήτων στους χρήστες και από την άλλη αυξημένη δυσκολία υλοποίησης κάποιας εφαρμογής. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός γενικού περιβάλλοντος, το οποίο θα προσφέρει στους χρήστες τη δυνατότητα να υλοποιούν σε μικρό χρονικό διάστημα μια εφαρμογή σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Το περιβάλλον αυτό, το οποίο ονομάζουμε jWebDust , εκτείνεται σε όλα τα επίπεδα που μπορεί να περιλαμβάνει μια τέτοια εφαρμογή, και επιτρέπει στο χρήστη να αναπτύξει μια εφαρμογή χωρίς ο χρήστης να χρειάζεται να υλοποιήσει ο ίδιος τα επίπεδα αυτά. Η συνεισφορά της παρούσας εργασίας συνοψίζεται σε δύο συνιστώσες: · Το πρωτόκολλο VTRP, το οποίο προσπαθεί να αντιμετωπίσει το πρόβλημα του εντοπισμού και διάδοσης πολλαπλών γεγονότων στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Το πρόβλημα αυτό συνίσταται στον εντοπισμό μέσα στο δίκτυο ενός πλήθους από γεγονότα και της διάδοσης των αντίστοιχων αναφορών σε ένα κέντρο ελέγχου, με έναν αποδοτικό τρόπο όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας και την ανοχή σε σφάλματα μετάδοσης. · Το περιβάλλον jWebDust, το οποίο αποσκοπεί στο να βοηθήσει το χρήστη να υλοποιήσει μια εφαρμογή σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων εύκολα και γρήγορα. Βιβλιογραφία: 1. A. Antoniou, I. Chatzigiannakis, G. Mylonas, S. Nikoletseas, A. Boukerche: A new energy efficient and fault tolerant protocol for data propagation in smart dust networks using varying transmission range. In the proceedings of the 37th Annual ACM – IEEE Simulation Symposium (ANSS ’04), April 2004. 2. I. Chatzigiannakis, G. Mylonas, S. Nikoletseas: jWebDust: A Java-based Generic Application Environment for Wireless Sensor Networks. In the proceedings of DCOSS ’05 (International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems), Marina Del Rey, June 30 – July 1, 2005 . / Wireless sensor networks are comprised of a vast number of ultra-small fully autonomous computing, communication and sensing devices, with very restricted energy supplies and computing capabilities, which co-operate to accomplish a large sensing task. Such networks can be very useful in practice, i.e. in the local detection of remote crucial events and the propagation of data reporting their realization to a control center. It is expected that, in the future, the wide range of applications of sensor networks will make them an integral part of our lives. The interest of the research community in these networks has grown steadily in the recent years and a plethora of data propagation protocols and possible applications has been proposed, along with a growing number of software applications and real network deployments. There is, though, a lack of available tools for developing applications in sensor networks, which means that there is a lack of available options for the final users and also an increased difficulty in implementing an application for such a network. The aim of this dissertation is the design and development of a generic environment, which will offer the possibility of implementing quick and easy an application for wireless sensor networks. This environment is called jWebDust, and its implementation is based on existing technologies, like the TinyOS operating system for sensor networks, and is targeted towards hardware platforms that are supported by TinyOS. The contribution of this dissertation can be summarized as follows: 1. The VTRP protocol [2], designed to face the (multiple event detection and propagation) problem in wireless sensor networks, which is defined as follows: how can each node in the network via cooperation with the rest of the nodes propagate the information regarding some event to the control center of the network in an efficient and fault-tolerant way. What differentiates VTRP to the other existing protocols is the change of the transmission range of each node, when this is necessitated by the conditions inside the network field. 2. The jWebDust environment [3], which aims at providing a simple interface for creating quick and easy an application for wireless sensor networks. jWebDust provides a simple interface to the final user, through which a variety of actions for administering a wireless sensor network can be performed, and also collection of data from the network nodes can be automated. This dissertation is comprised of the following parts: 1. Current research in wireless sensor networks (chapter 1 - 3): In the first part of this thesis we provide an introduction to the basic concepts in wireless sensor networks and a short overview of their history so far. A presentation of the current research regarding the most important hardware platforms and software applications presented so far concludes this part. 2. The VTRP protocol (chapter 4): a detailed description of the protocol is provided in this chapter, along with results from extensive simulation experiments conducted with the simDust network simulator [1]. 3. The jWebDust environment (chapters 5-6): The overall architecture of jWebDust is presented along with a detailed description of the functional specifications of the system. Bibliography: [1] S. Nikoletseas, I. Chatzigiannakis, H. Euthimiou, A. Kinalis, T. Antoniou and G. Mylonas, Energy efficient protocols for sensing multiple events in smart dust networks, 37th Annual ACM/IEEE Simulation Symposium (ANSS 2004), 2004, pp. 15-24. [2] T. Antoniou, A. Boukerche, I. Chatzigiannakis, G. Mylonas and S. Nikoletseas, A new energy efficient and fault-tolerant protocol for data propagation in smart dust networks using varying transmission range, 37th Annual ACM/IEEE Simulation Symposium (ANSS 2004), 2004, pp. 43-52. [3] I. Chatzigiannakis, G. Mylonas and S. Nikoletseas, jWebDust: A Java-based generic application environment for wireless sensor networks, International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS

Το ερευνητικό αντικείμενο και ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μιας ολοκληρωμένης λύσης για την υποστήριξη τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών σε ασύρματα δίκτυα τα οποία δεν στηρίζονται σε σταθερές δικτυακές υποδομές. Ένα τέτοιο δίκτυο, το οποίο αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως Mobile Ad-hoc Network (MANET), είναι ένα αυτο-οργανώσιμο αυτο-σχηματιζόμενο ασύρματο δίκτυο με διαδρομές πολλαπλών τμημάτων (multi-hop), όπου η δομή του δικτύου αλλάζει δυναμικά λόγω της κινητικότητας των κόμβων ή αλλαγές στην τοπολογία. Η αρχιτεκτονική που προτείνεται για την ικανοποίηση των τιθέμενων απαιτήσεων στηρίζεται στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου επικοινωνιακού αρχιτεκτονικού πλαισίου για MANET δίκτυα το οποίο περιλαμβάνει μηχανισμούς μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας που οφείλεται σε επικοινωνιακές λειτουργίες, την ανάπτυξη ενός εξειδικευμένου πρωτοκόλλου δρομολόγησης, τροποποιήσεις του πρωτοκόλλου TCP στο επίπεδο μεταφοράς και την υλοποίηση ενός νέου πρωτόκολλου διαχείρισης δικτύου. Η απόδοση της προτεινόμενης επικοινωνιακής διαστρωμάτωσης είναι υψηλή σε περιβάλλον με μεγάλη κινητικότητα των κόμβων και δυναμική αλλαγή της τοπολογίας ενώ παράλληλα η κατανάλωση ενέργειας των κόμβων παραμένει σχετικά χαμηλή. Οι αλγόριθμοι και τα πρωτοκόλλα που παρουσιάζονται σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς και τις απαιτήσεις ενός ενσωματωμένου συστήματος, ενώ η απόδοση και αξιοπιστία τους τεκμηριώνονται θεωρητικά και με εξομοιώσεις. / The research objective of this thesis is a complete solution so as to support the implementation of telecommunication applications in wireless networks that operate without the presence of fixed infrastructure. Such a network, cited as Mobile Ad-hoc Network (MANET) in international literature, is a self-organized, auto-configured wireless network with multi-hop routing paths where its structure is modified dynamically due to node mobility and topological changes. In order to meet the above requirements a new communication framework for MANET networks is presented, which consists of the adaptation of communication-related energy reduction techniques, development of a specialized routing protocol at the network layer, modifications of the TCP protocol at the transport layer and the implementation of a novel network management protocol. The performance of the proposed protocol stack is satisfactory in dynamic network topologies with increased node mobility, whereas the node energy consumption remains in low levels. The presented algorithms and protocols are designed and implemented considering the constraints and requirements of an embedded system, while their performance and reliability is proved theoretically and by simulation results.

Η ασύρματη επικοινωνία, στις μέρες μας, αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, όπου η μορφολογία του εδάφους, δεν επιτρέπει σε αρκετά γεωγραφικά διαμερίσματα την εγκατάσταση και χρήση ευρυζωνικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας καθώς στις μέρες μας βιώνουμε το πέρασμα από τη δεύτερη γενιά συστημάτων κινητών τηλεπικοινωνιών προς την τρίτη. Στην εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας με σκοπό την παροχή μιας πληθώρας υπηρεσιών στους συνδρομητές. Η διπλωματική αυτή έχει σαν σκοπό να μελετήσει την μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων όπως εικόνα και ήχος μέσα από την έννοια του streaming, πάνω από ασύρματα δίκτυα 3ης γενιάς (UMTS). Λαμβάνοντας υπό όψη τις δυσκολίες που συνεπάγεται η ασύρματη μετάδοση δεδομένων, όπως απώλεια πακέτων εξαιτίας λαθών ή συμφόρησης στο δίκτυο, αλλά και την καθυστέρηση που πολλές φορές παρατηρείται, προτείνεται ένας μηχανισμός για τη δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των πολυμεσικών δεδομένων. Στόχος είναι η αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, αλλά και η προσπάθεια για την όσο το δυνατόν ανεμπόδιστη λειτουργία της streaming υπηρεσίας ακόμα και σε μη ευνοϊκές δικτυακές συνθήκες. Ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης αποτελεί ένα σημαντικό θέμα τόσο στα ενσύρματα όσο και στα ασύρματα δίκτυα μιας και σχετίζεται με τη σταθερότητα του δικτύου, συμβάλλει στη δίκαιη κατανομή του bandwidth μεταξύ των ροών δεδομένων και στην ομαλή μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Μία μέθοδος ελέγχου και προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων πάνω από δίκτυα είναι γνωστή σαν TCP Friendly Rate Control (TFRC). Χρησιμοποιείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα και σύμφωνα με αυτή, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι συνάρτηση κάποιων παραμέτρων οι οποίες αντιπροσωπεύουν την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο. Οι παράμετροι αυτοί είναι το μέγεθος των πακέτων, ο ρυθμός απώλειας των πακέτων και το Round Trip Time (RTT). Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στα ασύρματα δίκτυα με τη βοήθεια απαραίτητων τροποποιήσεων/παραλλαγών αλλά και υπό την προϋπόθεση ότι λαμβάνονται υπόψη οι ιδιαιτερότητες της ασύρματης μετάδοσης. Στα πλαίσια της έρευνας που έγινε στην εργασία αυτή, θα δείξουμε την ικανότητα που μπορεί να έχει ένας streaming server για έλεγχο και προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων σύμφωνα με τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν και τις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Βασικό στοιχείο στην προσπάθεια αυτή αποτέλεσε η λειτουργία του TFRC μηχανισμού σε συνδυασμό με τη χρήση του RTP πρωτοκόλλου. Το Real-Time Transport Protocol (RTP) παρέχει μια από άκρο σε άκρο υπηρεσία για αποστολή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Εφαρμογές που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο αυτό είναι κυρίως υπηρεσίες για μετάδοση (streaming) ήχου (φωνή) και βίντεο. Παρόλο που το RTP πρωτόκολλο δεν παρέχει κάποια εγγύηση για την έγκαιρη παράδοση των πακέτων, εντούτοις περιέχει ένα μηχανισμό για την απεικόνιση της κατάστασης του δικτύου και των χαρακτηριστικών της σύνδεσης μεταξύ των δύο άκρων. Πρόκειται για το RTP Control Protocol (RTCP) το οποίο αποστέλλει πακέτα (αναφορές) μεταξύ του streaming server και ενός χρήστη, με πληροφορία όπως ο ρυθμός απώλειας πακέτων, η καθυστέρηση μετάδοσης και ο RTT χρόνος. Με τον τρόπο αυτό, και για τις ανάγκες της ασύρματης μετάδοσης βίντεο σε πραγματικό χρόνο από έναν server προς έναν κινητό χρήστη μπορεί να γίνει μια συνεργασία του TFRC μηχανισμού και των RTP και RTCP πρωτοκόλλων. Ο server, κατά τη διάρκεια αποστολής (streaming) πολυμεσικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο προς ένα κινητό χρήστη, θα μπορεί να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή τα χαρακτηριστικά της ασύρματης σύνδεσης, βασιζόμενος στα RTCP πακέτα που θα του στέλνει ο χρήστης και στη συνέχεια με τη βοήθεια του TFRC να κάνει υπολογισμό ενός άνω φράγματος για τον επιτρεπτό ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Η δυνατότητα για αλλαγή του ρυθμού μετάδοσης από τον server ανάλογα με τις δικτυακές συνθήκες, βασίζεται στο γεγονός της ικανότητας να επιλέγει το προς μετάδοση βίντεο μέσα από ένα σύνολο διαφορετικών κωδικοποιήσεων του βίντεο αυτού. Με άλλα λόγια, ο streaming server διατηρεί διάφορες εκδόσεις (αρχεία) του ίδιου βίντεο, με τη μόνη διαφορά ότι είναι κωδικοποιημένα σε διαφορετικούς ρυθμούς (Kbps) με βάση κάποιο πρότυπο (π.χ MPEG-2). Βέβαια είναι γεγονός, ότι ένας χαμηλός ρυθμός κωδικοποίησης της πολυμεσικής πληροφορίας, σε σχέση με ένα υψηλό ρυθμό, συνεπάγεται μια μέτρια ποιότητα στην εικόνα του βίντεο. Από την άλλη όμως πλευρά, η μετάδοση μέτριας ποιότητας (χαμηλού ρυθμού) βίντεο, συνδέεται με το χαμηλό ρυθμό στην μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων, γεγονός που είναι επιθυμητό σε περιπτώσεις όπου στο δίκτυο παρατηρείται συμφόρηση, μεγάλες καθυστερήσεις και απώλειες πακέτων. Κατά ανάλογο τρόπο, όταν στο δίκτυο δεν παρατηρούνται ιδιαίτερα προβλήματα, είναι επιθυμητή η μετάδοση από τον streaming server βίντεο υψηλού ρυθμού (καλής ποιότητας), καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι σε θέση να εξυπηρετήσει τις απαιτήσεις για μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων με υψηλό ρυθμό. Για την επιβεβαίωση των όσων αναφέρθηκαν παραπάνω, έγιναν μια σειρά από πειράματα κάνοντας χρήση ενός εμπορικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας βασισμένο στην τεχνολογία 3ης γενιάς. Κάποιες υποθέσεις που έγιναν σχετικά με το σενάριο αυτό, αφορούν το διαθέσιμο bandwidth του ασύρματου καναλιού, το ρυθμό απώλειας πακέτων, το μέγεθος των πακέτων και την κίνηση στο δίκτυο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η απώλεια των πακέτων μπορεί να οφείλεται τόσο στο ενδεχόμενο να παρατηρείται μεγάλη κίνηση στους κόμβους του δικτύου αλλά και σε αυτό της μη σωστής λήψης, εξαιτίας των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν την ασύρματη μετάδοση. Για την υλοποίηση του παραπάνω σεναρίου και των πειραμάτων έγινε χρήση ενός φορητού υπολογιστή (laptop) ο οποίος είχε τον ρόλο του κινητού χρήστη εξοπλισμένος με μια κάρτα για την ασύρματη πρόσβαση σε 3G δίκτυο παρόχου κινητής τηλεφωνίας. Η αποστολή των δεδομένων και ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης έγινε με την βοήθεια ενός RTSP Server, που υλοποιήθηκε, βασισμένος στις βιβλιοθήκες του open source project LIVE555 (www.live555.com), στο εργαστήριο Κατανεμημένων Συστημάτων και Τηλεματικής του τμήματος. Τέλος θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ερευνητική διατριβή που έγινε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας οδήγησε στην παρακάτω δημοσίευση σε διεθνές συνέδριο. An efficient mechanism for adaptive multimedia transmission in 3G networks. IADIS International Conference Wireless Applications and Computing 2007 (WAC 2007), Lisbon, Portugal, A. Alexiou, K. Barounis, C. Bouras, 6-8 July 2007. Αbstract: Η εργασία αυτή προτείνει ένα μηχανισμό για τον έλεγχο της συμφόρησης (congestion control) και την μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας (video) πάνω από το UMTS. Ο μηχανισμός αυτός εφαρμόζεται όταν ο κινητός χρήστης διαχειρίζεται πληροφορία πραγματικού χρόνου (real time), και παράλληλα υιοθετεί την θεωρία μίας ευρέως αποδεκτής μεθόδου για έλεγχο ου ρυθμού (rate control) στα ενσύρματα δίκτυα, γνωστή και ως equation based rate control. Σε αυτή την προσέγγιση, ο server προσαρμόζει τον ρυθμό μετάδοσης πολυμεσικής πληροφορίας λαμβάνοντας υπόψη τις εξής δικτυακές παραμέτρους: α) ρυθμός απώλειας πακέτων, β) round-trip χρόνος και γ) μέγεθος του πακέτου. Μέσα από μια σειρά εξομοιώσεων και πειραμάτων έγινε αξιολόγηση της ορθότητας και της επίδοσης του μηχανισμού. Αρχικά ο μηχανισμός αξιολογείται χρησιμοποιώντας το περιβάλλον του ns-2 εξομοιωτή, και στη συνέχεια γίνονται κάποια πειράματα σε δίκτυο UMTS εμπορικής χρήσης γνωστής τηλεπικοινωνιακής εταιρείας. / Wireless communication has become valuable, in a country like Greece, where the morphology of the ground does not allow the massive use of alternative means of communication like fiber optics. Especially, the field of mobile telecommunications has shown a remarkable growth over the past years, as we are now witnessing the pass from the second generation (2G) networks to the third generation (3G). However, this evolution can be regarded as the result of the demands for an integrated and functional mobile telecommunication system, with a plethora of new services offered to its users. The aim of this master thesis is to make a research in the transmission of multimedia content over a UMTS network, with the capability of adapting the transmission rate, depending on the network conditions. The control of the transmission rate is a very important aspect, not only in the wired networks, but also in the wireless networks, as it is responsible for the stability of the network, the fair sharing of the bandwidth between the traffic flows and the unaffected transmission of multimedia, like video and voice. One method for the control and the adaptation of the transmission rate over networks is known as TCP Friendly Rate Control (TFRC). This method is mainly used in wired networks and according to its function, the transmission rate is the outcome of various parameters across the network. These parameters are the size of the packets, the packet loss rate, and the Round Trip Time (RTT). This method can also be used in wireless networks as long as some modifications take place and that special needs of the wireless transmission have been taken into consideration. During this research, we can show how the TFRC mechanism and the Real-Time Transport Protocol (RTP) can be combined together for the needs of multimedia streaming over a wireless network. The RTP protocol provides end-toend delivery services for data with real-time characteristics such as interactive audio and video, while applications typically run RTP on top of UDP. RTP itself does not provide any mechanism to ensure timely delivery or other quality-ofservice guarantees. However, RTP consists of the RTP Control Protocol (RTCP), which monitors the quality of service like packet loss, delay, round trip time and conveys information about the participants in an on-going session. By this way, during a streaming session, the server would be able to have an image of the network conditions thanks to the RTCP information sent by the mobile client. Then, using the TFRC mechanism an upper bound for the transmission rate can be calculated in order to take advantage of the available bandwidth and to avoid causing network instability or abuse. The server would have the same video in different versions, depending on the coding in Kbits per second (Kbps) and then would have the capability of increasing or decreasing the transmission rate by switching the video files during the streaming session. In order to examine this scenario in real network conditions, some parameters will be taken into consideration, like the available bandwidth of the wireless network, the packet loss rate, the packet size and the network traffic. It must be noticed, that the packet loss could be caused by overloading the network or by those factors which can cause problems in the wireless transmission. For testing all the above, we perform some experiments using a laptop with a network card for having access in a 3G network as a mobile user, and a RTSP server for streaming the multimedia data to the client. The server is implemented, based on the Live555 (www.live555.com) libraries, where some extra functions are added in order to work according to the streaming scenario. Finally it should be mentioned that this thesis has been published on the IADIS International Conference, Wireless Applications and Computing 2007 with the title “An Efficient Mechanism for Adaptive Multimedia Transmission in 3G Networks” held in Lisbon, Portugal, July 6-8, 2007.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στις ασύρματες επικοινωνίες και στα ηλεκτρονικά κυκλώματα έχουν επιτρέψει την ανάπτυξη υπολογιστικών διατάξεων χαμηλού κόστους και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, οι οποίες ενσωματώνουν δυνατότητες μέτρησης (sensing), επεξεργασίας και ασύρματης επικοινωνίας. Οι διατάξεις αυτές, οι οποίες έχουν ιδιαίτερα μικρό μέγεθος, καλούνται κόμβοι αισθητήρες. Ένα ασύρματο δίκτυο κόμβων αισθητήρων αποτελείται από ένα πλήθος κόμβων οι οποίοι έχουν αναπτυχθεί σε κάποια περιοχή ενδιαφέροντος προκειμένου να μετρούν κάποια μεταβλητή του περιβάλλοντος. Ανάμεσα σε πολλές εφαρμογές, ο εντοπισμός και η παρακολούθηση των θέσεων πηγών οι οποίες εκπέμπουν κάποιο σήμα (π.χ. ακουστικό, ηλεκτρομαγνητικό) αποτελεί ένα πολύ ενδιαφέρον θέμα, το οποίο μάλιστα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως βάση για τη μελέτη άλλων προβλημάτων τα οποία εμφανίζονται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Οι περισσότερες από τις υπάρχουσες τεχνικές εντοπισμού θέσης μιας πηγής από μια συστοιχία αισθητήρων μπορούν να ταξινομηθούν σε δυο κατηγορίες: (α) Τις τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις διεύθυνσης άφιξης (Direction of Arrival, DOA) και (β) τις τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις διαφοράς χρόνων άφιξης (Time Difference of Arrival, TDOA). Ωστόσο, οι τεχνικές αυτές απαιτούν υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας και ακριβή συγχρονισμό των κόμβων και δε συνάδουν έτσι με τις περιορισμένες ικανότητες των κόμβων αισθητήρων. Για τους λόγους αυτούς, το ενδιαφέρον έχει στραφεί σε μια τρίτη κατηγορία τεχνικών οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις ισχύος (Received Signal Strength, RSS). Το πρόβλημα του εντοπισμού θέσης χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος είναι ένα πρόβλημα εκτίμησης, όπου οι μετρήσεις συνδέονται με τις προς εκτίμηση παραμέτρους με μη-γραμμικό τρόπο. Στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής ασχολούμαστε αρχικά με την περίπτωση όπου επιθυμούμε να εκτιμήσουμε τη θέση και την ισχύ μιας πηγής χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος οι οποίες φθίνουν με βάση το αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης ανάμεσα στην πηγή και το σημείο μέτρησης. Για το πρόβλημα αυτό, προτείνουμε έναν εκτιμητή ο οποίος δίνει τις παραμέτρους της πηγής ως λύση ενός γραμμικού προβλήματος ελαχίστων τετραγώνων. Στη συνέχεια, υπολογίζουμε κατάλληλα βάρη και προτείνουμε έναν εκτιμητή ο οποίος δίνει τις παραμέτρους της πηγής ως λύση ενός προβλήματος ελαχίστων τετραγώνων με βάρη. Ακόμα, τροποποιούμε κατάλληλα τον τελευταίο εκτιμητή έτσι ώστε να είναι δυνατή η κατανεμημένη υλοποίησή του μέσω των προσαρμοστικών αλγορίθμων Least Mean Square (LMS) και Recursive Least Squares (RLS). Στη συνέχεια, εξετάζουμε την περίπτωση όπου ενδιαφερόμαστε να εκτιμήσουμε τη θέση μιας πηγής αλλά δεν έχουμε καμιά πληροφορία σχετικά με το μοντέλο εξασθένισης της ισχύος. Έτσι, υποθέτουμε πως αυτό περιγράφεται από μια άγνωστη γνησίως φθίνουσα συνάρτηση της απόστασης. Αρχικά, προσεγγίζουμε το πρόβλημα εκτίμησης κάνοντας την υπόθεση πως οι θέσεις των κόμβων αποτελούν τυχαία σημεία ομοιόμορφα κατανεμημένα στο επίπεδο. Χρησιμοποιώντας την υπόθεση αυτή, υπολογίζουμε εκτιμήσεις για τις αποστάσεις ανάμεσα στους κόμβους και την πηγή, και αναπτύσσουμε έναν αλγόριθμο εκτίμησης της θέσης της πηγής. Στη συνέχεια, προσεγγίζουμε το πρόβλημα εκτίμησης χωρίς την υπόθεση περί ομοιόμορφης κατανομής των θέσεων των κόμβων στο επίπεδο. Προτείνουμε μια κατάλληλη συνάρτηση κόστους για την περίπτωση αυτή, και δείχνουμε την ύπαρξη μιας συνθήκης υπό την οποία η βέλτιστη λύση μπορεί να υπολογιστεί. Η λύση αυτή είναι εσωτερικό σημείο ενός κυρτού πολυγώνου, το οποίο ονομάζουμε ταξινομημένο τάξης-K κελί Voronoi. Έτσι, δίνουμε αλγορίθμους υπολογισμού της λύσης αυτής, καθώς και κατανεμημένους αλγορίθμους οι οποίοι βασίζονται σε προβολές σε κυρτά σύνολα. Ακόμα, ασχολούμαστε με τις ιδιότητες των κελιών αυτών στην περίπτωση όπου οι θέσεις των κόμβων αισθητήρων είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στο επίπεδο και υπολογίζουμε κάποια φράγματα για το εμβαδόν τους. Τέλος, ασχολούμαστε με την περίπτωση όπου ενδιαφερόμαστε να εκτιμήσουμε τις θέσεις πολλαπλών πηγών με γνωστό μοντέλο εξασθένισης της ισχύος. Για το πρόβλημα αυτό, αρχικά προτείνουμε έναν αλγόριθμο διαδοχικής εκτίμησης και ακύρωσης της συνεισφοράς κάθε πηγής, προκειμένου να υπολογιστούν σταδιακά οι θέσεις όλων των πηγών. Ο αλγόριθμος αυτός, αποτελείται από τρία βήματα κατά τα οποία πρώτα υπολογίζεται μια προσεγγιστική θέση για την πηγή, στη συνέχεια εκτιμάται ένα σύνολο κόμβων το οποίο δέχεται μικρής έντασης παρεμβολή από τις υπόλοιπες πηγές, και τέλος επιχειρείται μια λεπτομερέστερη εκτίμηση της θέσης κάθε πηγής. Στη συνέχεια, επεκτείνοντας την τεχνική αυτή, προτείνουμε έναν επαναληπτικό αλγόριθμο εκτίμησης ο οποίος βασίζεται στον αλγόριθμο εναλλασσόμενων προβολών (Alternating Projections). Εξετάζουμε επίσης μεθόδους οι οποίες οδηγούν στη μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του αλγορίθμου αυτού. / Technology advances in microelectronics and wireless communications have enabled the development of small-scale devices that integrate sensing, processing and short-range radio capabilities. The deployment of a large number of such devices, referred to as sensor nodes, over a territory of interest, defines the so-called wireless sensor network. Wireless sensor networks have attracted considerable attention in recent years and have motivated many new challenges, most of which require the synergy of many disciplines, including signal processing, networking and distributed algorithms. Among many other applications, source localization and tracking has been widely viewed as a canonical problem of wireless sensor networks. Furthermore, it constitutes an easily perceived problem that can be used as a vehicle to study more involved information processing and organization problems. Most of the source localization methods that have appeared in the literature can be classified into two broad categories, according to the physical variable they utilize. The algorithms of the first category utilize “time delay of arrival”(TDOA) measurements, and the algorithms of the second category use “direction of arrival” (DOA) measurements. DOA estimates are particularly useful for locating sources emitting narrowband signals, while TDOA measurements offer the increased capability of localizing sources emitting broadband signals. However, the methods of both categories impose two major requirements that render them inappropriate to be used in wireless sensor networks: (a) the analog signals at the outputs of the spatially distributed sensors should be sampled in a synchronized fashion, and (b) the sampling rate used should be high enough so as to capture the features of interest. These requirements, in turn, imply that accurate distributed synchronization methods should be implemented so as to keep the remote sensor nodes synchronized and that high frequency electronics as well as increased bandwidth are needed to transmit the acquired measurements. Due to the aforementioned limitations, source localization methods that rely upon received signal strength (RSS) measurements - originally explored for locating electromagnetic sources - have recently received revived attention. In this Thesis, we begin our study by considering the localization of an isotropic acoustic source using energy measurements from distributed sensors, in the case where the energy decays according to an inverse square law with respect to the distance. While most acoustic source localization algorithms require that distance estimates between the sensors and the source of interest are available, we propose a linear least squares criterion that does not make such an assumption. The new criterion can yield the location of the source and its transmit power in closed form. A weighted least squares cost function is also considered, and distributed implementation of the proposed estimators is studied. Numerical results indicate significant performance improvement as compared to a linear least squares based approach that utilizes energy ratios, and comparable performance to other estimators of higher computational complexity. In the sequel, we turn our attention to the case where the energy decay model is not known. For solving the localization problem in this case, we first make the assumption that the locations of the nodes near the source can be well described by a uniform distribution. Using this assumption, we derive distance estimates that are independent of both the energy decay model and the transmit power of the source. Numerical results show that these estimates lead to improved localization accuracy as compared to other model-independent approaches. In the sequel, we consider the more general case where the assumption about the uniform deployment of the sensors is not required. For this case, an optimization problem that does not require knowledge of the underlying energy decay model is proposed, and a condition under which the optimal solution can be computed is given. This condition employs a new geometric construct, called the sorted order-K Voronoi diagram. We give centralized and distributed algorithms for source localization in this setting. Finally, analytical results and simulations are used to verify the performance of the developed algorithms. The next problem we consider is the estimation of the locations of multiple acoustic sources by a network of distributed energy measuring sensors. The maximum likelihood (ML) solution to this problem is related to the optimization of a non-convex function of, usually, many variables. Thus, search-based methods of high complexity are required in order to yield an accurate solution. In order to reduce the computational complexity of the multiple source localization problem, we propose two methods. The first method proposes a sequential estimation algorithm, in which each source is localized, its contribution is cancelled, and the next source is considered. The second method makes use of an alternating projection (AP) algorithm that decomposes the original problem into a number of simpler, yet also non-convex, optimization steps. The particular form of the derived cost functions of each such optimization step indicates that, in some cases, an approximate form of these cost functions can be used. These approximate cost functions can be evaluated using considerably lower computational complexity. Thus, a low-complexity version of the AP algorithm is proposed. Extensive simulation results demonstrate that the proposed algorithm offers a performance close to that of the exact AP implementation, and in some cases, similar performance to that of the ML estimator.

The localization of the sensor nodes is a fundamental issue in the area of wireless sensor networks (WSNs). An attractive way for estimating the location of mobile or static wireless objects is by using the received signal strength (RSS) attenuation with the distance, which does not require any additional hardware. This is possible due to the fact that in most sensor nodes radios the received signal strength indicator (RSSI) is a standard feature and can be obtained automatically by the received messages. On the other hand the RSS is known for being noisy, unstable, variable and difficult to use in practice. For achieving a better understanding of the nature of these difficulties and limitations, and for identifying the range of applicability of the RSS in localization and tracking scenarios, a thorough study about the RSS and its dependence on the various factors and environmental conditions is essential. The present doctoral dissertation investigates the feasibility of sensor node localization and target tracking with the resources of the WSN technology, when using only the RSS of the exchanged messages. Moreover, it offers experimental support to the hypothesis that proper modeling of the RSS behavior and appropriate selection of the topology parameters are essential for the applicability of WSN in real world conditions. In brief, the present doctoral dissertation concerns with: (i) identifying the main factors that influence the accuracy, the variability and the reliability of the obtained RSS, (ii) modeling the RF signal propagation in the context of WSNs, and (iii)defining the basic deployment constraints and evaluation of the topology parameters that can guarantee successful localization and tracking. For assessing the practical value of various RF-models, experiments using Tmote Sky and TelosB sensor nodes in real-field outdoor environment were carried out. The impact of a number of factors, such as the operating frequency of the radio, the transmitter–receiver distance, the variation of transceivers hardware due to manufacturing tolerances, the antenna orientation, and the environmental conditions, on the RSS was investigated. The influence of the various factors that affect the RF signal propagation and some constraints imposed by the WSN nature was accounted in order to design practical models, suitable for outdoor unobstructed and outdoor tree-obstructed environments. A pre-deployment simulation framework has been introduced and in its context a RF signal propagation-based connectivity strategy (RFCS) has been developed to fulfill three deployment provisions: (i) discovering the most appropriate height from the ground and distances for the sensor nodes, (ii) reducing the transmission power, and (iii) minimizing the interference from non-neighbor nodes. The RFCS uses a RF signal propagation model to predict the RSS in order to identify the most appropriate communication-based deployment parameters, i.e. T-R distance, height from the ground and transmission power. The localization and tracking considerations, by means of localization and tracking techniques, topology parameters and factors influencing the localization and tracking accuracy, are combined in illustrative simulation examples to evaluate their significance concerning the performance of the localization and tracking task. Furthermore, the propagation model and the topology parameters being identified were validated in real outdoor sensor node localization and target tracking tests. / -

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, ασχολούµαστε µε ζητήµατα που ανακύπτουν σε ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας, δηλ. δίκτυα που βασίζονται σε τηλεπικοινωνιακή υποδοµή όπως τα κυψελικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, δίκτυα αυτόνοµων ασύρµατων εκποµπών όπως τα ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc, κτλ. Τα ασύρµατα δίκτυα επικοινωνίας διαφόρων τύπων έχουν εξελιχθεί σηµαντικά τα τελευταία χρόνια. Ειδικότερα, τα ασύρµατα αδόµητα δίκτυα (ή αλλιώς ασύρµατα δίκτυα τύπου ad hoc) έχουν προσελκύσει το έντονο εν­διαφέρον της επιστηµονικής κοινότητας λόγω των πολλών εφαρµογών που έχουν κυρίως σε περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατή ή επιθυµητή η ολική ή µερική κάλυψη µέσω υποδοµής µε βάση την ενσύρµατη δικτύωση (π.χ., επι­κοινωνία σε δυσπρόσιτες ή αποµακρυσµένες περιοχές, φυσικές καταστροφές, στρατιωτικές εφαρµογές, κλπ.). ΄Οπως και στα παραδοσιακά ενσύρµατα δίκτυα, σηµαντικό πρόβληµα αποτελεί η εγκαθίδρυση σχηµάτων επικοινωνίας όπως διάδοση (broadcasting, multicasting), επικοινωνία όλων µε όλους (gossiping, all-to-all communica­tion), και επικοινωνία σε οµάδες (group communication). Για την επικοινω­νία απαιτείται η κατανάλωση ενέργειας στους κόµβους του δικτύου και, λαµβ.άνοντας υπόψη ότι τα αδόµητα ασύρµατα δίκτυα χρησιµοποιούν κόµβους µε περιορισµένα αποθέµατα ενέργειας, είναι απαραίτητη η ορθολογιστική χρήση αυτής της ενέργειας κατά την επικοινωνία. Αυτό µπορεί να σηµαίνει ότι είναι επιθυµητή είτε η ελαχιστοποίηση της συνολικής ενέργειας που κα­ταναλώνεται στους κόµβους του δικτύου για επικοινωνία ή η ελαχιστοποίηση της µέγιστης ενέργειας ώστε να επιτυγχάνεται όσο το δυνατό µεγαλύτερος χρόνος ζωής όλων των κόµβων του δικτύου. Στη διατριβή εξετάζουµε αλγόριθ­µους για την εγκαθίδρυση διαφορετικών σχηµάτων επικοινωνίας σε αδόµητα ασύρµατα δίκτυα όπου βασικό κριτήριο για την εκτίµηση της απόδοσής τους θα είναι η κατανάλωση ενέργειας που επιφέρουν στο δίκτυο. Μοντελοποιούµε τα δίκτυα µε ειδικά γραφήµατα και τα αντίστοιχα προβλήµατα επικοινωνίας σαν προβλήµατα συνδυαστικής βελτιστοποίησης στα γραφήµατα αυτά. Τα αποτελέσµατά µας περιλαµβάνουν νέους αλγόριθµους που βελτιώνουν προηγούµενα γνωστά σχετικά αποτελέσµατα και νέα κάτω φράγµατα. Με κεντρικό στόχο την αποδοτική κατανοµή ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα, η µελέτη µας έχει διττό χαρακτήρα: από τη µια πλευρά, ασχολούµαστε µε µε­λέτη και ανάλυση θεµελιωδών προβληµάτων της Θεωρητικής Επιστήµης των Υπολογιστών (όπως, π.χ., το πρόβληµα Κάλυψης µε Σύνολα). Τέτοια προβλήµατα, και ειδικές περιπτώσεις τους, παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον αφού χρησιµοποιούνται (µεταξύ άλλων) συχνά για τη µοντελοποίηση προβλη­µάτων ενεργειακά αποδοτικής επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα. Επιπλέον, προτείνουµε και αναλύουµε νέους αλγόριθµους για συγκεκριµένα σενάρια επικοινωνίας σε σύγχρονα ασύρµατα δίκτυα. Από την άλλη πλευρά, µελετάµε και εκτιµούµε πειραµατικά την απόδοση αρκετών αλγορίθµων και τεχνικών (από τη βιβλιογραφία αλλά και νέων) για ενεργειακά αποδοτική επικοινωνία σε ασύρµατα δίκτυα. Ειδικότερα: Μελετάµε το πρόβληµα κάλυψης µε σύνολα και ενδιαφέρουσες παραλ­λαγές του. Παρουσιάζουµε νέους συνδυαστικούς προσεγγιστικούς αλγόριθµους για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων. Προηγούµενες προσεγγίσεις έχουν βασισθεί σε επεκτάσεις του άπληστου αλγόριθµου µέσω αποδοτικού χειρισµού µικρών συνόλων. Οι νέοι αλγόριθµοι επεκτείνουν περαιτέρω τις προηγούµενες προσεγγίσεις χρησιµοποιώντας την ιδέα του υπολογισµού µεγάλων οµάδων στοιχείων και στη συνέχεια της οµαδοποίησής τους σε σύνολα µεγάλου µεγέθους. Τα αποτελέσµατά µας βελτιώνουν τα καλύτερα γνωστά φράγµατα προσέγγισης για το πρόβληµα k-κάλυψης συνόλων για κάθε τιµή του k >= 6. Η τεχνική που χρησιµοποιούµε για την ανάλυση παρουσιάζει επιπλέον ανεξάρτητα ενδιαφέρον: το πάνω φράγµα για τον παράγοντα προ­σέγγισης επιτυγχάνεται φράσσοντας την αντικειµενική τιµή ενός γραµµικού προγράµµατος η οποία ‘αποκαλύπτει’ το λόγο προσέγγισης του υπό εξέταση αλγορίθµου (factor-revealing). Παρουσιάζουµε έναν απλό αλγόριθµο για το πρόβληµα εύρεσης µέγιστου δάσους γεννητικού αστέρα. Λαµβάνουµε υπόψη το γεγονός ότι το πρόβληµα αποτελεί ειδική περίπτωση του συµπληρωµατικού προβλήµατος κάλυψης συ­νόλου και προσαρµόζουµε έναν αλγόριθµο των Duh και Furer για την επίλυ­σή του. Αποδεικνύουµε ότι ο αλγόριθµος αυτός υπολογίζει 193/240 που είναι περίπου ίσο με 0.804 ­προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Το αποτέλεσµα αυτό βελτιώνει ένα προηγούµενο άνω φράγµα µε τιµή 0.71 των Chen και άλλων. Αν και ο αλ­γόριθµος είναι καθαρά συνδυαστικός, η ανάλυσή µας ορίζει ένα γραµµικό πρόγραµµα που χρησιµοποιεί µια παράµετρο f το οποίο είναι επιλύσιµο για τιµές της παραµέτρου f που δεν είναι µικρότερες από το λόγο προσέγγισης του αλγορίθµου. Η ανάλυση είναι αυστηρή και, το ενδιαφέρον είναι ότι, µπορεί να εφαρµοστεί και σε συµπληρωµατικές εκδοχές του προβλήµατος κάλυψης συνόλου όπως η εξοικονόµηση χρωµάτων. Δίνει την ίδια εγγύηση προσέγγισης µε τιµή 193/240 που οριακά βελτιώνει το προηγούµενο γνω­στό κάτω φράγµα των Duh και Furer. Αποδεικνύουµε επίσης ότι, γενικά, µια φυσική κλάση αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης δε δίνουν καλύτερα από 1/2-προσεγγιστικά δάση γεννητικών αστέρων. Μελετάµε προβλήµατα επικοινωνίας σε ασύρµατα δίκτυα που υποστηρί­ζουν πολλαπλά µέσα ασύρµατης διασύνδεσης. Σε τέτοια δίκτυα, δύο κόµβοι µπορούν να επικοινωνήσουν αν είναι αρκετά κοντά και διαθέτουν κάποιο κοινό µέσο ασύρµατης διασύνδεσης. Η ενεργοποίηση ενός µέσου ασύρµατης διασύνδεσης επιφέρει ένα κόστος που αντανακλά την ενέργεια που καταναλώ­νεται όταν κάποιος κόµβος χρησιµοποιεί το µέσο αυτό. Διακρίνουµε µεταξύ της συµµετρικής και της µη συµµετρικής περίπτωσης, µε βάση το κόστος ενεργοποίησης για κάθε ασύρµατο µέσο διασύνδεσης είναι το ίδιο για όλους τους κόµβους ή όχι. Για τη συµµετρική περίπτωση, παρουσιάζουµε έναν (3/2+ε)–προσεγγιστικό αλγόριθµο για το πρόβληµα πλήρους διασύνδεσης µε ελάχιστο κόστος ενεργοποίησης, βελτιώνοντας ένα προηγούµενο φράγµα µε τιµή 2. Για τη µη συµµετρική περίπτωση, αποδεικνύουµε ότι το πρόβληµα διασύνδεσης δεν είναι προσεγγίσιµο στα πλαίσια ενός παράγοντα υπολογα­ριθµικού ως προς το πλήθος των κόµβων και παρουσιάζουµε ένα λογαριθµι­κό προσεγγιστικό αλγόριθµο για µια γενικότερη περίπτωση που µοντελοποιεί την οµαδική επικοινωνία. Επίσης, µελετάµε αλγόριθµους για τον υπολογισµό αποδοτικών ως προς την ενέργεια δένδρων µετάδοσης (multicasting) σε ασύρµατα αδόµητα δί­κτυα. Τέτοιοι αλγόριθµοι είτε ξεκινούν από µια κενή λύση η οποία σταδιακά επαυξάνεται για να δώσει ένα δένδρο µετάδοσης (επαυξητικοί αλγόριθµοι ­augmentation algorithms) είτε λαµβάνουν σαν είσοδο ένα αρχικό δένδρο µε­τάδοσης και εκτελούν ‘περιπάτους ’ σε διαφορετικά δένδρα µετάδοσης για πεπερασµένο αριθµό βηµάτων µέχρι να επιτευχθεί κάποια αποδεκτή µείωση στην κατανάλωση της ενέργειας (αλγόριθµοι τοπικής αναζήτησης -local search algorithms). Εστιάζουµε τόσο σε επαυξητικούς αλγόριθµους όσο και σε αλγό­ριθµους τοπικής αναζήτησης και συγκεκριµένα έχουµε υλοποιήσει αρκετούς υπάρχοντες αλγόριθµους από τη βιβλιογραφία αλλά και νέους. Συγκρίνου­µε πειραµατικά τους αλγόριθµους αυτούς σε τυχαία γεωµετρικά στιγµιότυπα του προβλήµατος και επιτυγχάνουµε αποτελέσµατα όσον αφορά στην αποδο­τικότητα ως προς την ενέργεια των λύσεων που λαµβάνουµε. Παρουσιάζουµε επίσης αποτελέσµατα σχετικά µε το χρόνο εκτέλεσης των υλοποιήσεών µας. Επίσης διερευνούµε το κατά πόσον οι λύσεις που λαµβάνουµε από επαυ­ξητικούς αλγόριθµους µπορούν να βελτιωθούν µέσω αλγορίθµων τοπικής αναζήτησης. Τα αποτελέσµατά µας αποδεικνύουν ότι ένας από τους νέους αλγόριθµους που προτείνουµε και οι εκδοχές του επιτυγχάνουν τις πιο απο­δοτικές ενεργειακά λύσεις και µάλιστα πολύ γρήγορα και, επιπλέον, υποδεικ­νύουν ιδιότητες γεωµετρικών στιγµιοτύπων του προβλήµατος που συντελούν στη βελτιωµένη απόδοση των επαυξητικών αλγορίθµων. / In this dissertation, we study issues arising in wireless communication networks, i.e., networks based on telecommunication infrastructure like cellular wireless networks, networks of autonomous wireless transmitters like ad hoc wireless networks, and so on. Wireless networks have received significant attention during the recent years. Especially, ad hoc wireless networks for which unlike traditional wired networks or cellular wireless networks, no wired backbone infrastructure is installed emerged due to their potential applications in emergency disaster relief, battlefield, etc. Like in traditional wired networks, an important problem concerns the establishment of communication patterns like broadcasting, multicasting, gossiping, all-to-all communication, and group communication. Communication then requires energy consumption at network nodes, and given that in ad hoc wireless networks energy is a scarce resource, it is of paramount importance to use it efficiently when establishing communication patterns. In such a setting, it is usually pursued that either the total energy consumed at networks nodes or the maximum energy consumed at any network node is minimized so that the network lifetime is prolonged as long as possible. Herein, we present and analyze theoretically and experimentally algorithms for guaranteeing the establishment of various communication patterns in ad hoc wireless networks and evaluate their performance in terms of their energy-efficiency. We represent these networks using graphs and model the corresponding communication problems as combinatorial optimization problems in such graphs. Our results include new algorithms which improve previously known relevant results as well as new lower bounds. Our main objective being the efficient energy allocation in wireless networks, our study is of dual character: on the one hand, we study and analyze fundamental problems of Theoretical Computer Science (like, e.g., Set Cover); such problems, as well as special cases of them, are highly interesting since they usually model energy-efficient communication problems in wireless networks. Furthermore, we propose and analyse new algorithms for particular communication scenaria in modern wireless networks. On the other hand, we experimentally study and evaluate several algorithms and techniques (both from the literature and new ones) for energy-efficient communication in wireless networks.