Localization and network management in radio and underwater networks

Negli ultimi anni, le reti wireless di sensori (WSN) sono state molto studiate a causa delle numerose applicazioni in cui possono essere usate, come il monitoraggio ambientale, la domotica, la localizzazione e il tracking di utenti mobili. Le forti limitazioni dei nodi sensori in termini di energia, processamento, memoria e affidabilita', lasciano ancora aperti molti problemi per la ricerca. Questa tesi affronta due problemi molto importanti relativi alle reti wireless di sensori: la localizzazione e la gestione del traffico. Un'accurata localizzazione dei sensori e' importante per molte applicazioni per WSN, come monitoraggio, routing, scheduling, data fusion e molte altre. Tipicamente, gli algoritmi di localizzazione si basano su una infrastruttra di nodi, detti nodi ancora che conoscono la loro posizione geografica. Questi nodi trasmettono in broadcast le loro coordinate agli altri nodi della rete, che da queste informazioni ricavano la loro posizione tramite tecniche di stima. L'argomento e' stato largamente studiato, sia con simulazioni sia, piu' recentemente, con testbed sperimentali. Ciononostante, l'accuratezza ottenuta dalla maggior parte degli algoritmi proposti e' ancora insufficiente, soprattutto in ambienti interni. E' quindi necessario cercare nuove metodologie e nuovi approcci. In questa tesi, il problema e' stato affrontato da diversi punti di vista, in modo da capire in maniera piu' chiara e accurata i diversi aspetti che lo caratterizzano. Come conseguenza, abbiamo raccolto una vasta quantita' di dati che potrebbero apparire come non molto legati uno all'altro, ma che in realta' rientrano tutti nello stesso progetto di ricerca. Come primo passo, abbiamo confrontato algoritmi di localizzazione proposti in letteratura in uno scenario indoor e con nodi statici, stimando la distanza tra i nodi utilizzando la potenza del segnale ricevuto (RSSI). I risultati ci hanno permesso di capire le potenzialita' e i limiti dei piu' diffusi algoritmi di localizzazione in ambiente indoor e in un testbed reale. In particolare, abbiamo osservato il grande impatto che ha sulle prestazioni di localizzazione l'aleatorieta', data dal termine di shadowing, della misura di potenza ricevuta. Abbiamo quindi cercato delle strategie per ridurre la varianza di questo termine aleatorio. A questo scopo, abbiamo studiato l'effetto della frequenza della portante, utilizzando una stima della potenza ricevuta multi--canale, e l'impatto dell'anisotropia dell'antenna sulle oscillazioni dei valori di potenza ricevuta. Entrambi glil studi sono stati fatti con misure reali raccolte in diversi testbed. Successivamente, abbiamo analizzato il problema del posizionamento dei nodi ancora, dopo aver osservato l'incidenza che questo ha sull'accuratezza della localizzazione. Abbiamo confrontato il posizionamento ottimo dei nodi ancora usando sia una tecnica esaustiva, ma computazionalmente molto complessa, sia uno schema euristico che raggiunge prestazioni molto vicine all'ottimo pur mantenendo una complessita' lineare con il numero di ancore. Guardare alle prestazioni di localizzazione separando i diversi effetti degli algoritmi, dei parametri di canale e del posizionamento dei nodi ancora e' stato importante per capire il contributo dei diversi aspetti all'interno dell'errore di localizzazione e quanto sia possibile migliorare la precisione della localizzazione ottimizzando uno di questi aspetti, che solitamente viene scelto in base allo scenario e alle risorse disponibili. Quindi, abbiamo incluso nel nostro scenario anche nodi mobili. All'inizio abbiamo considerato un robot mobile (AMR) che poteva interagire con i sensori, ma anche capace di localizzarsi grazie all'odometria. Facendo leva sulla complementarieta' della rete di sensori e del robot mobile, abbiamo studiato e implementato un algoritmo di localizzazione e mappatura simultanea (SLAM), problema che consiste nel creare la mappa di un'area senza nessuna conoscenza a priori dell'ambiente e in contemporanea localizzare i nodi sensore confrontando le informazioni provenienti dai sensori e quelle ricavate dall'odometria del robot. Poi abbiamo considerato uno scenario piu' generale composto da nodi mobili ed eterogenei, con diverse capacita' di autolocalizzazione, che possono interagire uno con l'altro in modo opportunistico, scambiandosi informazioni di localizzazione con altri nodi che occasionalmente si trovano in prossimita'. Le prestazioni di questo schema sono state analizzate in un modello matematico. Abbiamo studiato un approccio a Massima Verosimiglianza (ML), uno basato su Linear Matrix Inequalities (LMI) e una semplice strategia euristica per definire gli algoritmi di localizzazione opportunistica. La validita' del modello matematico e' stata confermata attraverso misure sperimentali. Abbiamo considerato due scenari principali, uno in cui un nodo puo' contare su una sola interazione opportunistica e uno dove possono essere fatti contatti multipli mentre il nodo resta nella stessa posizione. Abbiamo analizzato le diverse tecniche, trovando che nel primo caso, se le informazioni di autolocalizzazione del nodo cooperatore e di ranging sono buone, l'algoritmo euristico ha buone prestazioni, a volte addirittura meglio della Massima Verosimiglianza, che invece e' estremamente robusto e riesce a migliorare la stima di localizzazione anche in scenari molto difficili. Se invece sono disponibili numerose interazioni, allora l'algoritmo euristico porta prestazioni scarse ed e' meglio utilizzare la tecnica LMI, specialmente utilizzando l'informazione di ranging. Inoltre l'LMI non richiede una conoscenza della posizione iniziale del nodo incognito. Lo scenario statico e' stato molto utile per studiare in maniera efficace la localizzazione mobile. La scelta degli algoritmi proposti e dello scenario, i parametri di simulazione e i limiti, sono strettamente legati a quello che abbiamo studiato riguardo al canale wireless e alle prestazioni di localizzazione nei lavori precedenti. L'idea dello scenario opportunistico infatti e' venuta a partire da due considerazioni: la limitata precisione della localizzazione con ancore basata su RSSI in uno scenario reale e la buona precisione nella stima di distanza con RSSI quando la distanza e' limitata. Affianco al principale filone di ricerca riguardante la localizzazione nelle WSN, durante il dottorato di ricerca abbiamo approfondito anche altri argomenti, come la gestione del traffico e le reti di sensori sottomarine, che non sono direttamente collegate con il tema principale, ma sono comunque di grande interesse scientifico. I risultati piu' significativi ottenuti in questi temi sono stati inseriti all'interno della tesi per due motivi. Innanzitutto, questi argomenti appartengono al contesto delle reti di sensori wireless, condividendo alcune caratteristiche di base quali l'assunzione di semplicita' e le limitazioni energetiche. Inoltre, il trattare campi diversi ma correlati, puo' aprire nuove prospettive a problemi noti, contribuendo cosi' all'innovazione della ricerca. Il secondo problema affrontato in questa tesi e' stato la gestione del traffico in reti di sensori wireless. Spesso, i nodi di una rete di sensori mandano i pacchetti ad un nodo comune, chiamato sink. Questo modello di traffico, quando il carico cresce, puo' portare a problemi di congestione, causando perdita di pacchetti, ritardi e spreco di energia. Le soluzioni proposte in letteratura solitamente cercando di individuare l'inizio di una congestione, utilizzando in questo compito molti nodi, talvolta l'intera rete. Il protocollo proposto, chiamato Efficient Packet Converge Casting (EPC$^2$), mitiga la congestione al sink, ma coinvolgnedo solo un numero fissato di nodi, i vicini del sink. Un altro scenario che abbiamo analizzato in questa tesi, sono state le reti sottomarine di sensori che, come nel caso delle reti radio, possono essere utilizzato per molteplici applicazioni e quindi hanno ricevuto molta attenzione dal mondo della ricerca. Similmente alle reti radio, l'efficienza energetica e' un problema molto sentito. I nodi sono alimentati a batteria ed e' molto importante incrementare la vita della rete il piu' possibile. La profonda diversita' dell'ambiente in cui i nodi sono disposti crea nuove sfide per la ricerca che richiedono la progettazione di nuovi protocolli. Abbiamo affrontato il problema dell'efficienza energetica in reti sottomarine con due diversi approcci. Abbiamo studiato l'effetto del duty--cycle and della densita' dei nodi sul consumo energetico della rete, assumendo che i nodi potessero usare diversi livelli di potenza in trasmissione. Quindi abbiamo proposto uno schema di utilizzazione della banda disponibile per ottimizzare il consumo energetico, facendo leva sulla forte relazione tra distanza, frequenza e attenuazione del canale. Entrambe le soluzioni sono molto semplici e adatte ai dispositivi sottomarini che hanno forti limitazioni. Inoltre non richiedono una unita' centrale per essere coordinate, ma operano in modo asincrono e distribuito.