Gelijktijdige Transmissie Begrepen als Generieke Ondersteuning voor Complexe Ingebedde Applicaties

Draadloze netwerken kampen vandaag met te hoge responstijden wanneer ze onderworpen worden zijn aan strikte doorvoersnelheidbeperkingen: ze slagen er niet in ondersteuning te bieden voor interacties tussen dicht bij elkaar geïnstalleerde, gedistribueerde sensoren en actuatoren die zich doorheen een vermaasd netwerk in minder dan een milliseconde moeten voltrekken, om zo beoogde toepassingen, zoals geslotenluscontrole en het geautomatiseerd verwerken van private sensordata, mogelijk te maken. Dit proefschrift toont hoe die tekortkoming aangepakt kan worden door de manier te herzien waarop draadloze apparaten gebruik maken van symbolen, de kleinste informatie- eenheden in digitale communicatiesystemen. In het bijzonder introduceert dit proefschrift de symbool-synchrone netwerkarchitectuur, waarin de manier waarop draadloze netwerken gebruikmaken van symbolen op drie manieren heruitgevonden wordt.

Eerst presenteert dit proefschrift symbool-synchrone modulatie, een fysisch georiënteerde techniek waarmee apparaten symbolen die ze waarnemen herhalen met een vertraging van minder dan de duurtijd van een enkel symbool, in plaats van te proberen reeksen symbolen afkomstig van een specifieke zender nauwkeurig te reproduceren. Door gebruik te maken van incoherente fysische signalen en het invoeren van een nieuwe notie van synchronisatie, doet deze benadering een netwerkbreed communicatiekanaal ontstaan dat apparaten in een vermaasd netwerk in staat stelt te communiceren met van netwerktrafiek onafhankelijke responstijden die tot nu voorbehouden bleven aan bedrade busnetwerken. Experimenten op een uit vijfentwintig apparaten bestaande labo-opstelling, die elk communiceren aan de hand van optische signalen, tonen zo hoe twee bytes aan data langs vijf apparaten kan propageren in minder dan een milliseconde.

Als tweede presenteert dit proefschrift collages, een techniek met betrekking tot de verbindingen tussen apparaten op logisch niveau, waarmee symbolen tijdens hun transmissie doorheen de ether interageren en zo de maxima berekenen van kleine gehele getallen die gelijktijdig door verschillende apparaten uitgezonden worden. Door de kansverdeling voor die getallen aan te passen aan het aantal gelijktijdige zenders, kunnen collages gezamenlijke eigenschappen van gedistribueerde datapunten uitdrukken, eerder dan die data zelf. Bayesiaanse analyses tonen vervolgens aan dat het communiceren van zulke gezamenlijke eigenschappen het verzamelen van data voor responstijdgevoelige classificatieproblemen versnelt wanneer die eigenschappen geïnterpreteerd worden aan de hand van op voorhand beschikbare kennis omtrent hun toepassingscontext: dezelfde classificatieprestaties kunnen, vergeleken met meer traditionele netwerkarchitecturen, 15–50% sneller gerealiseerd worden.

Als derde presenteert dit proefschrift ambigue transmissies, een techniek op applicatieniveau die ingrijpt op de vertaalslag tussen sensordata en de in collages begrepen symbolen, om zo histogrammen te schatten die, op een aan de applicatiecontext aangepaste manier, de verdeling van sensordata doorheen een netwerk kenmerken, eerder dan op een betrouwbare manier de data afkomstig van een enkele sensor te proberen achterhalen. Die applicatiecontext bestaat onder meer uit door softwareontwikkelaars voorziene hints over de semantiek van de betrokken toepassingen, zoals de maximaal tolereerbare responstijd of de hoeveelheid ruis op aanwezige signalen. Experimenten tonen aan dat deze benadering effectief toelaat netwerken af te stellen op de beschikbare responstijd en daarbij het dataverzamelingsproces voor toepassingen met veel ruis versnelt met 25—75%, zoals bij de verzameling van lokaal differentieel private sensordata.

Het globale resultaat van deze drievoudige benadering is een netwerkarchitectuur waarvan de componenten op elkaar inwerken aan de hand van snelle, eerder dan betrouwbare, mechanismen, die het afhandelen van falingen herhaaldelijk uitstellen tot op hogere abstractieniveaus. Vermits een dergelijke ontwerpbenadering aanleiding geeft tot verscheidene wegen voor vervolgonderzoek, schetst de conclusie van dit proefschrift daartoe verschillende invalshoeken, enerzijds gericht op het ontwikkelen van symboolsynchrone hardware voor gebruik buiten een labo-omgeving, anderzijds gericht op de meer fundamentele zoektocht naar ingenieursbenaderingen die toelaten draadloze communicatiesystemen te ontwerpen op een manier die aantoonbaar beter in overeenstemming is met semantische aspecten van de toepassingen waarvoor die systemen gebruikt worden.