Page 1. Wireless Sensor Networks

Transcript

1 Page 1 Wireless Sensor Networks

2 Page 2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ I : ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ : ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΚΟΣΜΟ 1.1 Πρώτη Επαφή 1.2 Η Ιδέα 1.3 Τεχνολογικές Αρχές 1.4 Προκλήσεις 1.5 Έρευνα Αρχιτεκτονική Επιπέδων Δρομολόγηση & Επεξεργασία Αυτόματη Αναζήτηση τοπολογίας / Συγχρονισμός Επεξεργασία Σήματος Αποθήκευση, Αναζήτηση, Ανάκτηση Ώθηση Προσομοίωση, Έλεγχος, Απασφαλμάτωση Ασφάλεια ΚΕΦΑΛΑΙΟ IΙ : ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2.1 Πρώτη Επαφή 2.2 Εφαρμογές Εφαρμογές των WSN Επίπεδα Πρωτοκόλλων για εφαρμογές των WSN 2.3 Επίπεδο Μεταγωγής Μεταγωγή Γεγονότος Προς Δέκτη Μεταγωγή Δέκτη Προς Αισθητήρες 2.4 Επίπεδο Δικτύου 2.5 Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων (Data Link) Έλεγχος Μέσης Πρόσβασης (MAC: Medium Access Control) Έλεγχος Σφάλματος 2.6 Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) 2.7 Συγχρονισμός ΚΕΦΑΛΑΙΟ IΙΙ : ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ 3.1 Πρώτη Επαφή 3.2 Πού πάει η ενέργεια; Μονάδα Μικροελεγκτή (MCU: MicroController Unit) Ράδιο Αισθητήρες Ανάλυση Ισχύος Στους Κόμβους Θέματα Μπαταρίας Μετατροπέας DC DC 3.3 Βελτιστοποίηση Ενεργειακών Επιπέδων Κόμβους

3 Page Επεξεργασία Λογισμικό Διαχείριση Ισχύος Ραδίου Προώθηση Πακέτων 3.4 Ασύρματη Επικοινωνία Σχήματα Διαμόρφωσης Συντονισμένη Διαχείριση Ισχύς Βελτιστοποιήσεις Πρωτοκόλλων Δικτύου Χαμηλού Επιπέδου ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV : ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ (MAC: Medium Access Control) 4.1 Πρώτη Επαφή 4.2 Σχεδίαση MAC για τα WSN Χαρακτηριστικά και Ανταλλαγές στα MAC Ενεργειακή Αποδοτικότητα 4.3 Προγραμματισμένα Πρωτόκολλα Παραδείγματα Εξοικονόμηση Ενέργειας 4.4 Πρωτόκολλα βασιζόμενα στον Ανταγωνισμό Παραδείγματα Συντήρηση Ενέργειας 4.5 S MAC Προσεγγίσεις Σχεδίασης Απόδοση ΚΕΦΑΛΑΙΟ V : ΑΣΦΑΛΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ 5.1 Πρώτη Επαφή 5.2 Σχεδίαση Πρωτοκόλλου Ανάκαμψη Σφάλματος από Αναπήδηση σε Αναπήδηση Σχέση Pump/Fetch Πολύμορφες Λειτουργίες 5.3 Περιγραφή Πρωτοκόλλου Λειτουργία PUMP Χρονιστές PUMP Λειτουργία FETCH Συνάθροιση Απωλειών Μηνύματα NACK Χρονόμετρο Fetch Προληπτικό Fetch Λειτουργία Αναφοράς Μήνυμα Αναφοράς Χρονιστές Αναφοράς 5.4 Απόδοση

4 Page 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VI : Ποιότητα Υπηρεσίας (QoS) 6.1 Πρώτη Επαφή 6.2 Πιστότητα και Συμβιβασμοί στα Επίπεδα Δίκτυα Θεωρία Πληροφορίας Δικτύου Πιστότητα και Επεκτασιμότητα 6.3 Πιστότητα στα Ετερογενή Δίκτυα Κινητικότητα 6.4 Ακεραιότητα Δεδομένων Ρύθμιση Αισθητήρων Αξιόπιστη τοποθεσία κόμβων Αξιόπιστος Συγχρονισμός Διανομή Κλειδών Συστήματα Φήμης ΚΕΦΑΛΑΙΟ VII : Έλεγχος Ισχύς 7.1 Πρώτη Επαφή 7.2 Αρχές Σχεδίασης Αρχιτεκτονική Ασύρματων δικτύων Αρχές Σχεδίασης Ελέγχου Ισχύς 7.3 Το πρόβλημα σε επίπεδο MAC 7.4 Το πρόβλημα σε επίπεδο Δικτύου 7.5 Το πρόβλημα σε επίπεδο Μεταγωγής 7.6 Ανοικτά Προβλήματα 7.7 Ενεργειακά Αποδοτικά Πρωτόκολλα LTP: Πρωτόκολλο διάδοσης δεδομένων hop by hop Το Πρωτόκολλο Θεωρητική Ανάλυση Τοπική Βελτιστοποίηση: Πρωτόκολλο M2TP (Min Two Uniform Targets Protocol) VTRP: Πρωτόκολλο μεταβλητής εμβέλειας μετάδοσης Το Μοντέλο Το Πρόβλημα Το Πρωτόκολλο 7.8 Εφαρμογή Απόδοση Αποτελέσματα Προσομοίωσης

5 Page 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ I ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ : ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΚΟΣΜΟ 1.1 Πρώτη Επαφή Οι πρόσφατες ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις στην κατασκευή αισθητήρων με ασύρματη επικοινωνία σε χαμηλό κόστος έχουν τροφοδοτήσει μεγάλες εξελίξεις και ερευνητικό ενδιαφέρον στον τομέα των Wireless Sensor Networks (Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων). Δίκτυα αισθητήρων μεγάλης κλίμακας που συνδέουν από μερικές εκατοντάδες ως αρκετές χιλιάδες κόμβους (nodes) (Εικόνα 1.1), δημιουργούν αρκετές τεχνολογικές προκλήσεις αλλά και απεριόριστες δυνατότητες για εφαρμογές. Οι εφαρμογές τους βρίσκονται στον στρατό, την ιατρική, την βιομηχανία, μέχρι και στο σπίτι. Η ταχύτατη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής και των υλικών οδήγησε στην κατασκευή πολύ μικρών αισθητήρων, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να μετρούν και να καταγράφουν διάφορα περιβαλλοντολογικά ή βιολογικά μεγέθη, όπως θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση, υγρασία, φωτεινότητα, στάθμη υδάτων, Εικόνα 1.2 Κόμβος (Google Images) ωρίμανση καρπών, ανίχνευση χημικών στοιχείων, πίεση αίματος, σφυγμούς καρδιάς, κίνηση αντικειμένων και ανθρώπων και πολλές ακόμα Εικόνα 1.1 WSN (A.F.) παραμέτρους που προστίθενται διαρκώς στην παραπάνω λίστα. Αξιοσημείωτο είναι ότι σε μία διάταξη, όχι πολύ πιο μεγάλη από ένα μικρό νόμισμα (Εικόνα 1.2), μπορούμε να συμπεριλάβουμε πολλά από τα παραπάνω αισθητήρια και να καταμετρούμε συγχρόνως διάφορα μεγέθη. Επακόλουθο είναι οι αρκετές προκλήσεις. Π.χ. η εξέλιξη των πρωτόκολλων δικτύου για έλεγχο επικοινωνίας σε αυξανόμενο αριθμό κόμβων, η σχεδίαση απλών και αποδοτικών πρωτόκολλων για διαφορετικές λειτουργίες, η σχεδίαση πρωτόκολλων για εξοικονόμηση ενέργειας, σχεδίαση διαχείρισης δεδομένων π.χ. data querying (αίτηση), data mining (εξόρυξη), data fusion (συνδυασμός), data dissemination (διάδοση), τεχνικές εντοπισμού, συγχρονισμού κ.α. Στην συνέχεια, ακολουθεί λεπτομερής ανάλυση των WSN. Συγκεκριμένα: Γενική ιδέα Βασικά μέρη που αποτελούν ένα αισθητήρα Αναγκαία πρωτόκολλα Διαχείριση μεγάλου όγκου δεδομένων Ασφάλεια δεδομένων Έλεγχος και διαχείριση της τοπολογίας του δικτύου Ρόλοι κόμβων Εφαρμογές κτλ.

6 Page Η Ιδέα Τα πρώτα σεισμόμετρα (Εικόνα 1.3), ήταν απομονωμένες συσκευές που γράφανε δεδομένα επί μήνες σε ταινίες μέχρι να ελεγχτούν. Καταλαβαίνει κανείς ότι οι σεισμολόγοι ταξίδευαν ολόκληρες βδομάδες σε κάθε σημείο για να συλλέξουν τα δεδομένα από τις ταινίες, τα οποία πια χρησιμοποιούνταν ως πληροφορίες για την δομή της γης παρά για προειδοποίηση προς ανερχόμενους σεισμούς. Μια από τις συχνές χρήσεις του WSN είναι η αυτόματη ανίχνευση, πρόληψη ή και επαναφορά από αστικές καταστροφές. Σαν φυσικό επακόλουθο, τα δίκτυα αισθητήρων τράβηξαν την προσοχή και φαντασία πολλών ερευνητών. Αν και βρίσκονται σε μεγάλη ποικιλία, οι αισθητήρες έχουν κάποιες κοινές βασικές λειτουργίες που μπορούν να εφαρμοστούν στον πραγματικό κόσμο: Οι αισθητήρες ανιχνεύουν φυσικά φαινόμενα όπως ένταση φωτός, θερμοκρασία, ήχο, απόσταση κτλ. Οι δράστες επενεργούν στον φυσικό κόσμο π.χ. με εναλλαγή διακόπτη, κάνοντας κάποιο θόρυβο ή και ασκώντας κάποια δύναμη. Τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από διάφορους κόμβους (nodes). Κάθε κόμβος είναι αυτόνομος και με μικρή εμβέλεια. Συνεργάζονται όμως σαν δίκτυο και δρουν σε μεγάλες εκτάσεις. Ένα σύστημα από πολλούς κόμβους μικρής εμβέλειας (διανεμημένο) βρίσκει εφαρμογές σε εντελώς διαφορετικούς τομείς απ ότι ένα σύστημα με λίγους αισθητήρες μεγάλης εμβέλειας (συγκεντρωτικό). Η εξήγηση είναι απλή: Με ένα δορυφόρο μπορεί να δει κανείς που υπάρχει συννεφιά σε μεγάλη έκταση της Γής (Εικόνα 1.4), αλλά για την θερμοκρασία και την υγρασία που δεν είναι σταθερά μεγέθη και δεν φαίνονται από μακριά, χρειάζεται ένα διανεμημένο σύστημα που θα πάρει μετρήσεις από κοντά σε διαφορετικά σημεία (Εικόνα 1.5). Εικόνα 1.4 Δορυφόρος (G.Ι) Εδώ φαίνεται και μια μεγάλη χρήση του διανεμημένου συστήματος, η παρακολούθηση καιρικών συνθηκών στον χώρο (πυκνότητα κόμβων) και στο χρόνο (συχνότητα μετρήσεων). Ιστορικά, κάθε νέα μέθοδος παρακολούθησης της Γής έχει εισάγει και μια νέα εποχή στον κόσμο της επιστήμης. Το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου άλλαξε την αστρονομία και το μικροσκόπιο την βιολογία. Είναι πολύ πιθανό τα WSN να αφήσουν το δικό τους στίγμα! Εικόνα 1.3 Σεισμόμετρο (G.Ι) Εικόνα 1.5 Σεισμόμετρο (G.Ι)

7 Page Τεχνολογικές Αρχές Εικόνα 1.6 Μικροεπεξεργαστές (G.Ι) Η αυτοματοποιημένη ανίχνευση, η ενσωματωμένη επεξεργασία και οι ασύρματες δικτυώσεις δεν είναι καινούριες ιδέες. Οι υλοποίηση όμως των ιδεών δεν ήταν εφικτή μέχρι που τα τελευταία χρόνια υπήρξε αρκετή τεχνολογική ωρίμανση ώστε τα πιο πάνω να μπορούν να ενσωματωθούν με μικρό κόστος και κατανάλωση και σε μεγάλη κλίμακα. Παράδειγμα είναι οι μικροεπεξεργαστές που έχουν εξελιχτεί πολύ από την δεκαετία του 70 που πρωτοεμφανίστηκαν (Εικόνα 1.6). Αν και η υπολογιστική τους ισχύς δεν έχει αλλάξει πολύ, το κόστος, το μέγεθος και η κατανάλωση τους έχει μειωθεί δραματικά. Οι τυπικές ασύρματες επικοινωνίες ενσωματώνουν ξεχωριστούς επεξεργαστές σε ένα διασυνδεδεμένο περιβάλλον με αποτέλεσμα την μεγάλη κατανάλωση από τις ασύρματες συσκευές. Στην περίπτωση των WSN όμως υπήρξαν βελτιώσεις παρόμοιες με εκείνες των μικροεπεξεργαστών, με αποτέλεσμα να έχουν μεγάλες διαφορές στο πρότυπο επικοινωνίας. Πρωτεύον στόχος τους στην επικοινωνία είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ των κόμβων και όχι η μεταφορά των δεδομένων προς τον χρήστη. Ο χρήστης δηλαδή δεν ελέγχει την ροή της πληροφορίας, σε αντίθεση με π.χ. το σερφάρισμα στο διαδίκτυο ή την κλήση σε κινητό τηλέφωνο. Επίσης ο χρήστης δεν γνωρίζει όλα τα δεδομένα και υπολογισμούς, αλλά ενημερώνεται για συμπεράσματα και αποτελέσματα. Εδώ παρατηρείται και η συσχέτιση τους με εμπειρίες από τον φυσικό κόσμο. Όταν π.χ. ένα άτομο αισθάνεται το τσίμπημα από ένα κουνούπι χωρίς να το βλέπει, συνθέτει κάποιες πληροφορίες όπως το χαρακτηριστικό βουητό, η μετακίνηση των τριχών στο δέρμα του κ.α. που αποτελούν την ψευδαίσθηση του αισθητήρα για τσίμπημα από κουνούπι. Έτσι και στα δίκτυα αισθητήρων, ο στόχος δεν είναι απαραίτητα η παροχή πλήρη στοιχείων από κάθε αισθητήρα αλλά η σύνθεση τους για να δώσουν πληροφορίες υψηλού επιπέδου. Η σύνθεση/συνδυασμός των πληροφοριών δεν είναι απλά θέμα διευκόλυνσης αλλά και σημαντική αρχή σχεδίασης. Το ζητούμενο αποτέλεσμα αυτής της αρχής είναι η Συντήρηση Ενέργειας! 1.4 Προκλήσεις Η ενέργεια στα WSN είναι σημαντική γιατί είναι πεπερασμένη και λιγοστή. Σε αντίθεση με τα laptop και άλλες φορητές συσκευές τα οποία έχουν την συνεχή προσοχή και συντήρηση από τον άνθρωπο, το μέγεθος ενός δικτύου αισθητήρων καθιστά δύσκολη ή και αδύνατη την επαναφόρτιση. Αν και κάποιοι μέθοδοι ενεργειακής συγκομιδής είναι εφικτοί, η ενεργειακή αποδοτικότητα είναι το κλειδί για το μέλλον σ αυτό το τομέα. Λόγω του δυσανάλογου κόστους της ενέργειας μεταξύ εκπομπών μεγάλης και μικρής εμβέλειας αλλά και η ανάγκη επαναχρησιμοποίησης της συχνότητας στον χώρο, αποφεύγονται οι επικοινωνίες σε μεγάλες αποστάσεις. Κλειδί στην ενεργειακή απόδοση του συστήματος είναι η χρήση λειτουργιών όπως η τοπική επεξεργασία, η ιεραρχική επικοινωνία και η γνώση μετατροπής ακατέργαστης πληροφορίας σε φιλτραρισμένη αντιπροσώπευση. Στην περίπτωση ενός τέλειου συστήματος, τα δεδομένα θα μειώνονται στο ελάχιστο και δεν θα στέλνονται στον σταθμό μη επεξεργασμένα δεδομένα που θα επιβαρύνουν την αποθηκευμένη ενέργεια.

8 Page 8 Επίσης, μια ακόμη βασική πρόκληση είναι η δυναμικότητα του δικτύου. Με το πέρας του χρόνου, κάποιοι κόμβοι δεν θα είναι μέρος πια του δικτύου επειδή π.χ. εξάντλησαν όλη την ενέργεια τους ή καταστράφηκαν λόγω π.χ. υπερθέρμανσης από τον ήλιο ή από κάποιο λάθος στο λογισμικό ή απλά επειδή τους έφαγε ένας αγριόχοιρος (Εικόνα 1.7). Έστω και αν οι κόμβοι βρίσκονται σε σταθερές θέσεις, η ποιότητα των επικοινωνιών RF (Radio Frequency) μπορεί να αλλάξει δραματικά λόγω κάποιον κολλημάτων στην διάδοση που εξαρτούνται από το περιβάλλον και που δεν μπορούν να προβλεφτούν εκ τον προτέρων. Τα παραδοσιακά δίκτυα μεγάλης κλίμακας, όπως το Εικόνα 1.7 Μη ενεργοί κόμβοι (G.Ι) διαδίκτυο, εξελίσσονται εν μέρη λόγο της αύξησης των χρηστών όπως και του ίδιου του δικτύου. Αντιθέτως, στα WSN μπορεί να υπάρχει μόνο ένας χρήστης υπεύθυνος για δίκτυο χιλιάδων κόμβων. Δεν είναι όμως δυνατό ο χρήστης να ελέγχει κάθε συσκευή ξεχωριστά και αυτό οδηγεί σε μία ακόμη σημαντική απαίτηση: Τα δίκτυα αισθητήρων πρέπει να είναι αυτοελεγχόμενα και να διαμορφώνουν αυτόματα καταστάσεις ώστε να μην χρειάζεται η λεπτομερής παρέμβαση από τον χρήστη. Επίσης πρέπει να είναι προσαρμοστικά στις αλλαγές του περιβάλλοντος τους, με συνεχές και κατάλληλες ρυθμίσεις. 1.5 Έρευνα Το αποτέλεσμα των πιο πάνω βασικών προκλήσεων που αναδύονται από τα WSN είναι οι διάφοροι ερευνητικοί τομείς. Παρακάτω δίνεται μια ευρεία επισκόπηση αρκετών από αυτών των τομέων Αρχιτεκτονική Επιπέδων Κάθε σύστημα σχεδιάζεται ώστε να έχει ιδανικά χαρακτηριστικά (μικρό, φθηνό, αποδοτικό, μεγάλες δυνατότητες κτλ), στην πράξη όμως γίνονται κάποιοι συμβιβασμοί. Μπορούν να είναι π.χ. γρήγοροι ή ενεργειακά αποδοτικοί, μικροί ή πιο ικανοί, φθηνοί ή πιο ανθεκτικοί. Οι ανάγκες σε ένα σύστημα μπορούν να ικανοποιηθούν μέσω της Αρχιτεκτονικής Επιπέδων (Tiered Architecture), που αποτελείται από επίπεδα επιλεγμένα από τα σημεία σχεδιαγραμμάτων με άξονες ικανότητας, απαιτήσεων ενέργειας, μεγέθους και τιμής. Ανάλογη ιεραρχία υπάρχει στις μνήμες των υπολογιστών (Εικόνα 1.8). Ένας μοντέρνος μικροεπεξεργαστής έχει ενσωματωμένη μια ακριβή & γρήγορη κρυφή μνήμη και υποστήριξη από μια πιο αργή αλλά μεγαλύτερη κρυφή μνήμη L2. Μετά είναι η κύρια μνήμη και τέλος ο φθηνός σκληρός δίσκος με την μεγαλύτερη χωρητικότητα. Στα WSN, με την Αρχιτεκτονική Εικόνα 1.8 Ιεραρχία στις μνήμες (G.Ι)

9 Page 9 Επιπέδων, το δίκτυο δείχνει να είναι τόσο φθηνό, φορητό, αναλώσιμο και αποδοτικό σε ενέργεια όσο και ο μικρότερος του κόμβος αλλά δείχνει να έχει και μεγαλύτερους κόμβους, με δυνατότητα αποθήκευσης, υπολογιστικής ισχύς και εύρος επικοινωνίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα συστήματα βασίζονται στην Αρχιτεκτονική 2 ή 3 Επίπεδων (Εικόνα 1.9). Στο υψηλότερο επίπεδο είναι μία τυπική σύνδεση στο διαδίκτυο, όπου τα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να ενσωματωθούν με ένα παραδοσιακά ενσύρματο (server based) υπολογιστικό σύστημα. Στο χαμηλότερο επίπεδο είναι μια πλατφόρμα όπως η Berkley Mote (η πρώτη πλατφόρμα που αναπτύχτηκε με open software/hardware) με λειτουργικό σύστημα TinyOS. Μια πλατφόρμα Mote (κόμβος) έχει τον ελάχιστο χώρο αποθήκευσης Εικόνα 1.9 Αρχιτεκτονικές (G.Ι) και υπολογιστική ικανότητα, αλλά με ενσωματωμένα αισθητήρια, αρκετά μικρό μέγεθος και την ικανότητα να δουλεύει με μικρή μπαταρία. Μεταξύ των 2 επιπέδων βρίσκονται micro servers, υπολογιστές που δουλεύουν με μεγάλες μπαταρίες ή ηλιακές πλάκες και με λειτουργικό σύστημα όπως το Linux Δρομολόγηση & Επεξεργασία Η δρομολόγηση είναι θέμα που προκύπτει στις περιπτώσεις όπου το δίκτυο είναι αρκετά μεγάλο ώστε να χρειάζονται πολλαπλές αναπηδήσεις δηλ. χρήση του γνωστού ad hoc (υπάρχει δηλαδή ζευγάρι κόμβων που δεν επικοινωνούν μεταξύ τους άμεσα). Σε αντίθεση με το Διαδίκτυο που δρομολογεί τα πακέτα σε ένα συγκεκριμένο σημείο, η αποδοτικότητα στα δίκτυα αισθητήρων απαιτεί την μέγιστη δυνατή επεξεργασία εντός του δικτύου (π.χ. μείωση δεδομένων). Δηλαδή, αντί για τυφλή δρομολόγηση πακέτων, αρκετές εφαρμογές εκτελούν κάποια επεξεργασία (άθροιση παρόμοιων στοιχείων, φιλτράρισμα περίσσειας πληροφορίας, κτλ) σε κάθε αναπήδηση (hop) στο εσωτερικό του δικτύου. Για παράδειγμα, αν ένας χρήστης θέλει να ενημερώνεται μόνο όταν η θερμοκρασία σε ένα δωμάτιο ξεπεράσει τους 50C o, τότε κάθε κόμβος θα συγκρίνει κάθε μέτρηση που κάνει με την ζητούμενη τιμή και μόνο όταν πάρει τιμή μεγαλύτερη του 50 θα ενημερώσει τον χρήστη. Τέτοιο σύστημα είναι πολύ πιο αποδοτικό από το αν απλά έκπεμπε όλες τις μετρήσεις. Η δρομολόγηση δεν είναι απλά από άκρο σε άκρο (βάση της διεύθυνσης του κόμβου) αλλά επηρεάζεται από τις εφαρμογές. Στην περίπτωση του Διαδικτύου, αυτά τα δυο είναι σχεδόν πάντα ασυσχέτιστα. Παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι το Directed Diffusion (Κατευθυνόμενης Διάχυσης) (Εικόνα 1.10). Τα δεδομένα από τους αισθητήρες των κόμβων αναγνωρίζονται από το ζεύγος ιδιότητα αξία. Οι σταθμοί (sink), στέλνουν ενδιαφέρον στο δίκτυο και όσα δεδομένα ταιριάζουν, οι κόμβοι (sources) τα στέλνουν στους σταθμούς. Κάθε ενδιάμεσος κόμβος έχει μπορεί να ελέγξει/τροποποιεί τα δεδομένα πριν συνεχίσουν στην επόμενη αναπήδηση (hop). Εικόνα 1.10 Directed Diffusion (Adobe Flash)

10 Page 10 Επίσης, σε αντίθεση με το Διαδίκτυο, μπορούν να αντιλαμβάνονται ή και να αλλάζουν την δρομολόγηση Αυτόματη Αναζήτηση τοπολογίας / Συγχρονισμός Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του διανεμημένου συστήματος οφείλονται στην ικανότητα του να συλλέγει πληροφορίες από πολλαπλούς αισθητήρες. Πληροφορίες οι οποίες δε θα μπορούσαν σε αντίστοιχη περίπτωση να είναι ορατές από ένα μονό αισθητήρα. Π.χ. αν μια περιοχή πλημμύριζε μετά από βροχή, κάθε απλός αισθητήρας του δικτύου θα μπορούσε απλά να εντοπίσει αν βρίσκεται εντός ή εκτός της πλημμυρισμένης περιοχής (Εικόνα 1.11). Αν επιπλέων η θέση του κάθε κόμβου είναι γνωστή και συνδυασθούν τα δεδομένα τους, το δίκτυο μπορεί να υπολογίσει περισσότερες πληροφορίες σε σχέση με την τοπολογία της πλημμυρισμένης περιοχής. Δηλαδή, θα μπορούσε να ενημερώσει για τις ακριβείς διαστάσεις, ταχύτητα εξάπλωσης κτλ. Και όλα αυτά χωρίς την χρήση κάποιων αισθητήρων θέσης ή σχήματος. Εικόνα 1.11 Χρήση WSN (G.I. + A.F.) Η θέση των αισθητήρων μπορεί να είναι: Απόλυτη (Γεωγραφικό μήκος & πλάτος) Σχετική (x μέτρα μακριά από τον άλλο κόμβο) Λογική (Μέσα στο σπίτι, πάνω στον κινητήρα κτλ) Λόγω της μεγάλης κλίμακας και της δυναμικότητας της τοπολογίας του δικτύου, είναι αναγκαία η Αυτόματη Αναζήτηση της θέσης των κόμβων δηλ. οι κόμβοι να έχουν την ικανότητα να αναγνωρίζουν την θέση τους. Για φαινόμενα που είναι μεταβλητά στον χρόνο ή κινούνται, ο συγχρονισμός είναι επίσης απαραίτητος για να συνδυαστούν οι παρατηρήσεις των κόμβων. Π.χ. συλλογή θέσεων ενός αμαξιού για υπολογισμό της ταχύτητας του Επεξεργασία Σήματος Έχει μελετηθεί αρκετά η σύνθεση σημάτων από πολλαπλές πηγές (Array Processing) και πηγές με διαφορετικούς αισθητήρες (Data Fusion). Εφαρμογές όπως η ενίσχυση σήματος (μείωση θορύβου), τοπικότητα πηγών, έλεγχος διεργασίας και η κωδικοποίηση πηγής θα μπορούσαν να εφαρμοστούν στα WSN, όμως η χρήση τους έχει καθιερωθεί σε συστήματα ενσύρματα συνδεδεμένα με ένα επεξεργαστή, έστω και αν οι αισθητήρες είναι διανεμημένοι (γνωστά ως Centralized (Συγκεντρωτικά) Sensor Fusion). Στην περίπτωση συγκεντρωτικού επεξεργαστή, τα δεδομένα μπορεί να είναι κοινά μεταξύ των αισθητήρων μέσω άπειρου εύρους ζώνης ενώ η επικοινωνία στα δίκτυα αισθητήρων είναι περιορισμένη όσον αφορά την ενέργεια, εύρο ζώνης, δρομολόγηση και αξιοπιστία. Επίσης αντί για ενιαίο συγχρονισμό (κοινός επεξεργαστής), οι αισθητήρες είναι σε ανεξάρτητους κόμβους με ανεξάρτητα ρολόγια. Χρειάζεται δηλαδή συγχρονισμός. Με την επεξεργασία του σήματος δίνονται πληροφορίες όπως η τοποθεσία στόχου και η ταυτοποίηση/ταξινόμηση σήματος (Εικόνα 1.12). Έτσι είναι εφικτή η ταυτοποίηση σήματος χαμηλού επιπέδου (π.χ. ακουστικό ή σεισμικό) με υψηλού επιπέδου (δηλ. αμάξι ή σεισμική δόνηση ). Άρα μεγάλη πρόκληση στα WSN είναι να παρθούν τα καλύτερα δυνατά Εικόνα 1.12 Διαχείριση Πληροφορίας (G.I.)

11 Page 11 αποτελέσματα,δεδομένου των υπολογιστικών και ευρυζωνικών περιορισμών Αποθήκευση, Αναζήτηση, Ανάκτηση Λόγω των συνεχών μετρήσεων που εκτελούν οι κόμβοι σε ένα WSN παράγεται και μεγάλος όγκος μη επεξεργασμένων δεδομένων. Σε ένα τυπικό ενσύρματο δίκτυο ο όγκος δεδομένων αποθηκεύετε σε μια μεγάλη κεντρική βάση δεδομένων και μετέπειτα επεξεργάζονται. Το πιο απλό θα ήταν να εφαρμοστεί και στα δίκτυα αισθητήρων. Σε δίκτυο π.χ. με μια γνωστή διεπαφή αιτήσεων όπως SQL (Εικόνα 1.13), οι σταθμοί θα έχουν την ευκαιρία να χρησιμοποιήσουν παραδοσιακές τεχνικές εξόρυξης δεδομένων για να πάρουν χρήσιμες πληροφορίες. Στα δίκτυα αισθητήρων όμως δεν ισχύουν τα ίδια χαρακτηριστικά (περιορισμοί, χαρακτηριστικά των πηγών δεδομένων, αξιοπιστία, διαθεσιμότητα κτλ) που ισχύουν στις βάσεις δεδομένων. Οι βασικότερες διαφορές ενός συστήματος δικτύου αισθητήρων και των παραδοσιακών προσεγγίσεων στις βάσεις δεδομένων είναι οι περιορισμοί στους οποίους υπόκεινται. Η εξόρυξη στοιχείων από μια βάση δεδομένων που είναι εξαπλωμένη σε μεγάλο αριθμό σημείων με περιορισμένη ενέργεια, εύρος ζώνης και χώρο αποθήκευσης, δεν είναι καθόλου ελκυστική. Επίσης τα δεδομένα δεν μπορούν να σταλούν και να αποθηκευτούν σε ένα κεντρικό σημείο χωρίς να επηρεαστεί αναπόφευκτα η ζωή του δικτύου (περιορισμένη ενέργεια σε κάθε κόμβο). Εναλλακτική λύση είναι η αποθήκευση των δεδομένων τοπικά στους κόμβους τα οποία θα καλούνται από τους χρήστες (Εικόνα 1.14). Σε αυτή την περίπτωση πρέπει να ληφθεί υπόψη όμως ο περιορισμένος αποθηκευτικός χώρος σε κάθε κόμβο λόγω του περιορισμού κόστους και της ανάγκης χρήσης του δικτύου για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Επίσης λόγω της ανάγκης για κάθε κόμβο να δρα σαν σημείο επεξεργασίας δεδομένων, υπάρχουν περιορισμοί και Εικόνα 1.14 Δεδομένα από κόμβους (G.I. + A.F.) Εικόνα 1.13 SQL (G.I.) στην επεξεργασία, αυξάνοντας τις δυσκολίες για την επίτευξη του ιδανικότερα εφικτού συστήματος. Τέλος, όσο αφορά τις παραδοσιακές βάσεις δεδομένων, δουλεύουν με δεδομένα που είναι αποθηκευμένα σε δίσκους. Άρα δεν είναι κατάλληλες για συνεχή παροχή δεδομένων και η επεξεργασία τους χρειάζεται να είναι σε πραγματικό χρόνο. Επίσης η βάση δεδομένων πρέπει να έχει την ικανότητα να χειρίζεται ανάλογες καθυστερήσεις και διαφορετικούς ρυθμούς παράδοσης δεδομένων από διαφορετικούς κόμβους, αφού τα δεδομένα στέλνονται μέσω ασύρματων συνδέσεων με ποικίλα χαρακτηριστικά καναλιών. Οι καθυστερήσεις φυσικά πρέπει να αντιμετωπίζονται από το σύστημα, ακούγοντας στα κανάλια τον ελάχιστο δυνατό χρόνο Ώθηση Υπάρχουν περιπτώσεις που το WSN έχει παθητικό ρόλο, εντοπίζοντας δηλ. την κατάσταση του περιβάλλοντος αλλά χωρίς την ικανότητα να αλλάξει την κατάσταση ή την σχέση του με το περιβάλλον. Με Ώθηση (actuation) αλλάζουν οι δυνατότητες του δικτύου κατά 2 τρόπους: Ενίσχυση αισθητηρίων (κάμερες, κεραίες ή αλλαγή θέσης αισθητήρων)

12 Page 12 Επίδραση στο περιβάλλον (άνοιγμα βαλβίδων, προσομοίωση ήχων κτλ) Η πιο κοινή μορφή της Ώθησης είναι η Κινητικότητα Αισθητήρων. Έτσι, με τον έλεγχο τέτοιων αισθητήρων προτάθηκαν εφαρμογές όπως ο έλεγχος ορίων σε μια περιοχή (βάση του πρωτότυπου RoboMote, Εικόνα 1.15). Μπορεί να καθοριστεί με ακρίβεια το μέγεθος και το σχήμα της περιοχής (Εικόνα 1.16) όπως επίσης, η συγκομιδή ενέργειας από το περιβάλλον και η παράδοση της στους ακίνητους αισθητήρες. Τα πιο πάνω Εικόνα 1.15 RoboMote (G.I.) αποτελούν την βασική ιδέα και του προγράμματος DARPA SHM (Self Healing Minefield). Στο σύστημα αυτό οι κόμβοι συνεργάζονται για να δημιουργήσουν ένα χάρτη με τις θέσεις τους χρησιμοποιώντας ακουστικό εντοπισμό. Κάθε κόμβος είναι εξοπλισμένος με κινητό Εικόνα 1.16 Καθορισμός περιοχής (A.F.) υποσύστημα που αποτελείται από μικρούς κινητήρες. Ο στόχος είναι να διατηρούν την περιοχή προς παρακολούθηση καλυμμένη με αισθητήρες, ακόμα και όταν κάποιοι κόμβοι έχουν καταστραφεί ή μετακινηθεί. Όταν οι αισθητήρες εντοπίσουν νέα κενά στην περιοχή, συμπληρώνουν οι πλησιέστεροι κόμβοι Προσομοίωση, Έλεγχος, Απασφαλμάτωση Η προσομοίωση και απασφαλμάτωση είναι σημαντικά σημεία στην ανάπτυξη λογισμικού. Συγχρόνως, για λόγους που έχουν ήδη αναφερθεί, οι κόμβοι αφού επεξεργαστούν τις πληροφορίες στέλνουν ένα μικρό μέρος στον σταθμό. Αυτό οδηγεί τον σχεδιαστή του συστήματος σε ένα παράδοξο: Τα δεδομένα που απορρίπτονται ώστε να τηρούνται οι διάφοροι περιορισμοί είναι αναγκαία για την αξιολόγηση και απασφαλμάτωση της ίδιας της διεργασίας που μειώνει τα δεδομένα. Πώς γίνεται λοιπών η αξιολόγηση του συστήματος όταν οι αναγκαίες πληροφορίες δεν είναι διαθέσιμες; Ποια η εγγύηση ότι το τελικό αποτέλεσμα αντικατοπτρίζει την κατάσταση του περιβάλλοντος; Αυτό το θεμελιώδες πρόβλημα καθιστά επιτακτική την χρήση εξομοίωσης (Εικόνα 1.17) όπου υπάρχει συμφιλίωση μεταξύ του περιβάλλοντος όπως παρατηρείται από τους αισθητήρες και των φιλτραρισμένων αποτελεσμάτων που δίνει το λογισμικό υπό εξέταση. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων βρίσκονται στα TOSSIM (TinyOS Mote Simulators), EmStar (λογισμικό για ανάπτυξη WSN βασιζόμενου σε πλατφόρμες Linux) και σε επεκτάσεις των ασύρματων αισθητηρίων σε GloMoSim (Global Mobile Information Systems Simulation Library) και ns Εικόνα 1.17 Εξομοίωση (G.I.)

13 Page 13 2 (Network Simulation) Ασφάλεια Για την εγγύηση της ασφάλειας των κόμβων και των δεδομένων που παράγουν, αναδύονται μοναδικές προκλήσεις. Για παράδειγμα, το γεγονός ότι τα αισθητήρια είναι ενσωματωμένα με το περιβάλλον, δημιουργεί ένα πρόβλημα: Δεν μπορεί να εγγυηθεί η ασφάλεια των κόμβων. Έτσι, σε σύγκριση με τους διακοσμητές του Διαδικτύου, υπάρχει και ο επιπρόσθετος κίνδυνος κάποιος να τροποποιήσει το υλικό στους κόμβους και να το αντικαταστήσει με κακοπροαίρετο υλικό ή να ξεγελάσει τους αισθητήρες, δίνοντας μετρήσεις που δεν αντιπροσωπεύουν το πραγματικό περιβάλλον. Π.χ. για ένα αισθητήρα, η λανθασμένη ένδειξη θερμοκρασίας οδηγεί στην λανθασμένη πληροφορία της πυρκαγιάς. Οπότε είναι αναγκαίοι αλγόριθμοι εντοπισμού επιθέσεων που θα διασφαλίζουν την εγκυρότητα του δικτύου. Πρόκληση είναι επίσης οι περιορισμένες δυνατότητες των μικρών κόμβων. Η κρυπτογράφηση καταναλώνει περισσότερη ενέργεια, μνήμη και επεξεργαστικό χρόνο, απ ότι αν τα δεδομένα στέλνονταν χωρίς επεξεργασία και προστασία. Επίσης για την χρήση κρυπτογραφημένων δεδομένων χρειάζεται και η αποθήκευση κλειδιών αποκρυπτογράφησης σε κάθε κόμβο (Εικόνα 1.18) αλλά δυστυχώς οι πληροφορίες τους είναι εκτεθειμένες. Όπως και με άλλες τεχνολογικές εξελίξεις, τα WSN διεγείρουν σημαντικά ερωτήματα σχετικά με την πρόσβαση σε προσωπικά στοιχεία. Γενικά, η ασφάλεια των στοιχείων με την πάροδο του χρόνου Εικόνα 1.18 Κρυπτογράφηση (A.F.) διαβρώνεται, όπως π.χ. τα στοιχεία που μένουν πίσω από την χρήση πιστωτικών, την χρήση βίντεο παρακολούθησης ή την επιφανειακά αβλαβή χρήση των μηχανών αναζήτησης του Διαδικτύου. Έτσι και στα δίκτυα αισθητήρων, η τεχνολογία που έχει σκοπό τον εμπλουτισμό και βελτίωση της ζωής μπορεί να μετατραπεί ως μέσο κακοπροαίρετης χρήσης. Οπότε όσο αυξάνεται η χρήση των δικτύων αισθητήρων, θα πρέπει να υπόκεινται και σε ανάλογες συζητήσεις αναφορικά με το που ξεκινούν τα προσωπικά δεδομένα. Συμπεράσματα Η εξέλιξη της τεχνολογίας σε μικρά ηλεκτρονικά χαμηλού κόστους και κατανάλωσης έχει οδηγήσει σε δίκτυα μεγάλης κλίμακας με μικρούς, ασύρματους και αισθητήρες χαμηλής ισχύος. Τα WSN φέρνουν μια καινούρια εποχή στον τρόπο που παρακολουθούμε τον κόσμο. Συστήματα όπως η αυτόματη προειδοποίηση αοράτων κινδύνων (π.χ. μόλυνση αέρα ή νερού και επικείμενου σεισμού), θα ανοίξουν τα μάτια επιστημόνων σε φαινόμενα που μέχρι πρόσφατα δεν ήταν εφικτό να παρακολουθούνται. Με την πάροδο του χρόνου, η ενσωμάτωση τους στα σπίτια και στην καθημερινή ζωή, θα φτάσει σε επίπεδα που είναι δύσκολο να προβλεφτούν σήμερα. Όταν πρωτοεμφανίστηκαν οι υπολογιστές, υπήρχαν μόνο σε ειδικά μεγάλους χώρους και μόνο για μαθηματικούς υπολογισμούς. Ήταν αδιανόητο, εντός της διάρκειας μίας γενιάς, ότι θα γίνονταν συσκευές για το σπίτι, μέχρι και φορητοί μεγέθους ενός βιβλίου.

14 P a g e 14 Ίσως, μετά από κάποια χρόνια, τα ηλεκτρονικά αισθητήρια θα νιώθουν τόσο φυσικά στον άνθρωπο, όσο είναι γι αυτόν οι δικές του αισθήσεις! Μόνο ο χρόνος θα δήξει.

15 Page 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IΙ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2.1 Πρώτη Επαφή Οι κόμβοι φέρνουν εις πέρας διάφορες αποστολές που τους αναθέτουν οι χρήστες, είτε ανά ομάδες είτε όλοι μαζί. Οι θέσεις τους δεν χρειάζεται να οριστούν εκ τον προτέρων και αυτό τους καθιστά ικανούς για πολλές εφαρμογές όπως η αναζήτηση θέσης, ο εντοπισμός χημικών σε δύσκολα προσβάσιμη περιοχή κ.α. Επίσης χρησιμοποιούν τις επεξεργαστικές τους ικανότητες ώστε να εκτελούν απλούς υπολογισμούς και να εκπέμπουν μόνο τα αναγκαία δεδομένα. Έτσι παρέχουν στον χρήστη έξυπνες πληροφορίες και την ικανότητα να κατανοήσει καλύτερα το υπό εξέταση περιβάλλον (Εικόνα 2.1). Εικόνα 2.1 Χρήση των WSN (G.I.) Υπάρχουν αρκετά πρωτόκολλα για τα παραδοσιακά ασύρματα δίκτυα ad hoc τα οποία όμως δεν είναι κατάλληλα για τις μοναδικές απαιτήσεις των WSN. Μερικές διαφορές μεταξύ τους είναι: Ο αριθμός των κόμβων στο δίκτυο αισθητήρων μπορεί να είναι αρκετά μεγαλύτερος από εκείνων του δικτύου ad hoc. Οι αισθητήρες τοποθετούνται σε μεγάλη πυκνότητα στον χώρο. Οι αισθητήρες είναι επιρρεπής στις καταστροφές. Η τοπολογία ενός δικτύου αισθητήρων αλλάζει συχνά. Οι αισθητήρες χρησιμοποιούν κυρίως κάποια πρότυπα εκπομπής για να επικοινωνούν, σε αντίθεση με τα περισσότερα ad hoc δίκτυα που βασίζονται σε επικοινωνίες σημείοπρος σημείο (point to point). Οι αισθητήρες έχουν περιορισμένη ενέργεια, επεξεργαστική ικανότητα και μνήμη. Οι αισθητήρες μπορεί να μην έχουν παγκόσμια ταυτότητα λόγω του μεγάλου αριθμού τους. Η τοποθέτηση των αισθητήρων γίνεται βάση των απαιτήσεων της εφαρμογής. Τα δίκτυα ad hoc έχουν περισσότερο ως βάση την επικοινωνία.

16 Page 16 Αποτέλεσμα των πιο πάνω διαφορών είναι και το πρόσφατο ερευνητικό ενδιαφέρον. Αυτό το κεφάλαιο θα δώσει λεπτομερές πληροφορίες για τις προκλήσεις και τα βασικά γύρω από την σχεδίαση πρωτοκόλλων για WSN, όπως και για την σχεδίαση μεταφοράς, δικτύου, συνδεσιμότητας για εκπομπή δεδομένων και του φυσικού επιπέδου πρωτοκόλλων και αλγορίθμων ώστε να καταστούν δυνατές οι εφαρμογές. Επίσης θα ερευνηθούν οι διάφορες τεχνικές συγχρονισμού. 2.2 Εφαρμογές όπως: Υπάρχουν διάφοροι τύποι αισθητηρίων με την ικανότητα να κάνουν μετρήσεις σε περιπτώσεις Περιβαλλοντικές Συνθήκες Θερμοκρασία Υγρασία Κίνηση Φωτισμό Πίεση Σύσταση εδάφους Επίπεδα θορύβου Ένα παράδειγμα κόμβου/αισθητήρα φαίνεται στην Εικόνα 2.2, όπου το μέγεθος του είναι αρκετά μικρό και μπορεί να συνδεθεί/ενημερωθεί με υπολογιστή μέσω θύρας USB. Οι κόμβοι με αισθητήρια χρησιμοποιούνται για: Συνεχείς μετρήσεις Αναγνώριση γεγονότων Εντοπισμό γεγονότων Εύρεση σημείων Έλεγχο συσκευών Εικόνα 2.2 Κόμβος με σύνδεση USB (G.I.) Και μπορούν να έχουν εφαρμογή σε τομείς όπως: Στρατός Περιβάλλον Υγεία Σπίτι Διαστημική Εξερεύνηση Χημική Επεξεργασία Εφαρμογές των WSN Οι εφαρμογές των WSN είναι απεριόριστες! Στρατιωτικές Εφαρμογές: Μπορούν να έχουν χρήση σε συστήματα εντολών, έλεγχου, επικοινωνίας, υπολογιστών, ανεύρεσης πληροφοριών, παρακολούθησης, έρευνας και εντοπισμού (γνωστά και ως C4ISRT: Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance,

17 Page 17 Reconnaissance and Tracking). Η ραγδαία εξέλιξη, αυτονομία και η ανοχή τους σε λάθη, καθιστά τα WSN μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για τον στρατό, αφού και η καταστροφή μερικών απ αυτών δεν θα φέρει σε κίνδυνο την στρατιωτική αποστολή. Συγκεκριμένα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παρακολούθηση των αντιπάλων δυνάμεων, επιτήρηση του πεδίου μάχης, εντοπισμός ακριβής εχθρικής περιοχής, στόχευση, υπολογισμός ζημιών στο πεδίο μάχης, εντοπισμός πυρηνικών, βιολογικών και χημικών επιθέσεων (Εικόνα 2.3). Περιβαλλοντικές Εφαρμογές: Για δύσκολες και μακρόχρονες εφαρμογές όπως παρακολούθηση ζώων και των συνηθειών τους. Συγκεκριμένα των περιοχών που ζουν, των συνθηκών που επηρεάζουν την χλωρίδα (Εικόνα 2.4) και πανίδα, την ύδρευση, ο εντοπισμός χημικών & βιολογικών μολύνσεων, μέχρι και παρακολούθηση σε πιο μεγάλη κλίμακα, π.χ. σ όλη τη γη. Εμπορικές Εφαρμογές: Τέτοιες εφαρμογές είναι η δημιουργία εικονικών πληκτρολόγιων, η διαχείριση ελέγχου αποθέματος, η παρακολούθηση ποιότητας προϊόντων, κατασκευή έξυπνων χώρων για γραφεία, περιβαλλοντικός έλεγχος σε κτήρια γραφείων και πολλά άλλα Επίπεδα Πρωτοκόλλων για εφαρμογές των WSN Εικόνα 2.3 Στρατιωτική Εφαρμογή (G.I.) Εικόνα 2.4 Περιβαλλοντική Εφαρμογή (G.I. +A.F.) Αν και πολλές εφαρμογές έχουν προταθεί είναι πιθανό αρκετά επίπεδα πρωτόκολλων να παραμένουν ακόμη ανεξερεύνητα. Τρία πιθανά επίπεδα είναι: Πρωτόκολλα Διαχείρισης Αισθητήρων (SMP: Sensor Management Protocols) Η σχεδίαση σε επίπεδο πρωτοκόλλου για την διαχείριση της εφαρμογής έχει αρκετά πλεονεκτήματα. Τα δίκτυα αισθητήρων έχουν ποικίλες εφαρμογές και σε μερικές από αυτές ζητείται η πρόσβαση τους από δίκτυα όπως το Διαδίκτυο. Αυτό το επίπεδο κάνει το υλισμικό και λογισμικό στα χαμηλότερα επίπεδα ορατά στις εφαρμογές διαχείρισης του δικτύου αισθητήρων. Οι διαχειριστές του συστήματος αλληλεπιδρούν με το δίκτυο αισθητήρων μέσω του πρωτόκολλου SMP. Σε αντίθεση με πολλά άλλα δίκτυα, οι κόμβοι δεν έχουν παγκόσμια ταυτοποίηση και είναι συνήθως χωρίς υποδομή. Έτσι το SMP έχει πρόσβαση στους κόμβους χρησιμοποιώντας ονομασίες βάση των ιδιοτήτων τους και διευθυνσιοδότηση βάση της θέσης τους. Το SMP παρέχει στο λογισμικό διαδικασίες αναγκαίες για να εκτελέσει τα ακόλουθα: Παρουσίαση των κανόνων σχετικά με την συνάθροιση των δεδομένων, της ονομασίας βάση των ιδιοτήτων και της ομαδοποίησης των κόμβων. Ανταλλαγή δεδομένων για τους αλγόριθμους εντοπισμού θέσης. Συγχρονισμός κόμβων.

18 Page 18 Μετατόπιση κόμβων. Ενεργοποίηση/απενεργοποίηση κόμβων. Διαμόρφωση χαρακτηριστικών του δικτύου και της κατάστασης των κόμβων, όπως και η επαναδιαμόρφωση τους. Αυθεντικοποίηση, διανομή κλειδιών και η ασφάλεια επικοινωνίας δεδομένων. Πρωτόκολλο Ανάθεσης Καθηκόντων & Προώθηση Δεδομένων (TADAP: Task Assignment & Data Advertisement Protocol) Μία ακόμη σημαντική λειτουργία στα δίκτυα αισθητήρων είναι η Διάδοση Ενδιαφέροντος. Οι χρήστες στέλνουν το ενδιαφέρον τους σε ένα κόμβο, σε μία ομάδα κόμβων ή ακόμη και σ όλο το δίκτυο. Το ενδιαφέρον μπορεί να έχει σχέση με κάποιο χαρακτηριστικό κάποιου φαινομένου ή και με κάποιο γεγονός. Μία άλλη προσέγγιση είναι η Προώθηση των διαθέσιμων δεδομένων από τους κόμβους στους χρήστες. Έπειτα, οι χρήστες κάνουν αιτήσεις για τα δεδομένα που τους ενδιαφέρουν. Όταν ένα πρωτόκολλο σε επίπεδο εφαρμογής παρέχει στο λογισμικό του χρήστη επαρκές διεπαφές για Διάδοση Ενδιαφέροντος, τότε είναι χρήσιμο στις εφαρμογές χαμηλότερου επιπέδου, όπως τις δρομολογήσεις. Πρωτόκολλο Αιτήσεων Αισθητήρων & Διάδοση Δεδομένων (SQDDP: Sensor Query & Data Dissemination Protocol) Αυτό το πρωτόκολλό παρέχει διεπαφές στις εφαρμογές χρηστών σε σχέση με αιτήσεις, ανταποκρίσεις στις αιτήσεις και περισυλλογές εισερχόμενων απαντήσεων. Οι αιτήσεις αυτές δεν γίνονται σε συγκεκριμένους κόμβους αλλά γίνονται βάση των ονομασιών που έχουν λόγω χαρακτηριστικών ή τοποθεσίας. Παράδειγμα αίτησης βάση χαρακτηριστικών είναι: οι θέσεις των κόμβων που έκαναν μετρήσεις υψηλότερες των 40 ο C και βάση τοποθεσίας: οι θερμοκρασίες που πάρθηκαν από τους κόμβους στον Τομέα Α. Με το ίδιο σκεπτικό, έχει προταθεί μια εφαρμογή με ακόμη περισσότερες υπηρεσίες, η Γλώσσα Αιτήσεων Αισθητήρων & Ανάθεσης Καθηκόντων (SQTL: Sensor Query & Tasking Language). Υποστηρίζει γεγονότα τριών ειδών τα οποία χαρακτηρίζονται από τις λέξεις κλειδιά: Συλλογή: ορίζει τα γεγονότα που δημιουργούν οι κόμβοι όταν λάβουν ένα μήνυμα. Όποτε: ορίζει τα γεγονότα που παρουσιάζονται περιοδικά λόγω ασυγχρονισμού. Λήξη: ορίζει τα γεγονότα που παρουσιάζονται όταν λήξη ο χρόνος. Αν ένας κόμβος παραλάβει μήνυμα που προορίζεται γι αυτόν και περιέχει κάποιον κώδικα, τότε εκτελεί αυτόν τον κώδικα. Παρόλο που προτείνεται η SQTL, μπορούν να αναπτυχτούν διάφορες εκδόσεις του SQDDP με μοναδικό τρόπο για κάθε εφαρμογή.

19 Page Επίπεδο Μεταγωγής Τα WSN είναι συστήματα που οδηγούνται από γεγονότα και βασίζονται στην προσπάθεια συλλογής δεδομένων από ένα αριθμό κόμβων. Αυτή η φύση συνεργασίας επιφέρει πολλά πλεονεκτήματα όπως μεγάλη ακρίβειας και περιοχή κάλυψης, όπως και εξαγωγή τοπικών χαρακτηριστικών. Όλα όμως εξαρτώνται άμεσα από την αξιοπιστία της ασύρματης επικοινωνίας. Για την επίτευξη τέτοιας επικοινωνίας, εκτός από τον Έλεγχο Σφάλματος Σύνδεσης (link error control) και την Ανεκτικότητα Σφαλμάτων Δρομολόγησης (fault tolerant routing), χρειάζεται και ένας αξιόπιστος μηχανισμός μεταφοράς. Οι κύριοι στόχοι σε επίπεδο Μεταγωγής είναι: i. Η γεφύρωση των επιπέδων εφαρμογής και δικτύου εφαρμόζοντας πολυπλεξίας και απόπολυπλεξίας. ii. Η παράδοση των δεδομένων μεταξύ πηγής και δέκτη, με χρήση μηχανισμού ελέγχου σφάλματος βάση συγκεκριμένων απαιτήσεων αξιοπιστίας στο επίπεδο εφαρμογής. iii. Η προσαρμογή της κυκλοφορίας που εισέρχεται στο δίκτυο μέσο μηχανισμών ελέγχου ροής & συμφόρησης. Αν και αυτοί οι στόχοι ισχύουν ακόμα, οι λειτουργίες σε επίπεδο μεταγωγής υπόκεινται αρκετές τροποποιήσεις για την επίτευξη των μοναδικών χαρακτηριστικών ενός συγκεκριμένου δικτύου. Για μια ακόμη φορά οι περιορισμοί ενέργειας, επεξεργασίας και υλικού, επιφέρουν περιορισμούς και σ αυτό το στάδιο σχεδίασης. Για παράδειγμα, ο συμβατικός έλεγχος σφάλματος που βασίζεται στην επανεκπομπή από άκρο σε άκρο και ο μηχανισμός αυξανόμενης μείωσης συμφόρησης που υιοθετεί το γνωστό Πρωτόκολλο Ελέγχου Μεταγωγής (TCP: Transport Control Protocol) (Εικόνα 2.5), ίσως να μην είναι εφικτός σε ένα WSN και να οδηγήσει σε σπατάλη των ελάχιστων πόρων. Σε αντίθεση όμως με άλλα δίκτυα, τα WSN προορίζονται για συγκεκριμένες εφαρμογές και κάθε εφαρμογή επηρεάζει με διαφορετικό τρόπο την σχεδίαση του πρωτοκόλλου μεταγωγής (διαφορετικά επίπεδα αξιοπιστίας, διαφορετικές προσεγγίσεις στον έλεγχο συμφόρησης κ.α.). Οι κύριοι στόχοι των πρωτόκολλων σε επίπεδο μεταγωγής (που απευθύνονται στις απαιτήσεις των WSN) είναι: Αξιόπιστη Μεταφορά: Τα χαρακτηριστικά των γεγονότων που εξάγονται πρέπει να εκπέμπονται με αξιοπιστία στον σταθμό. Παρόμοια Εικόνα 2.5 και οι πληροφορίες προς τους κόμβους (δεδομένα προγραμματισμού TCP (G.I.) λειτουργίας, εκτέλεσης και αιτήσεις) πρέπει να παραδίδονται αξιόπιστα. Έλεγχος Συμφόρησης: Οι απώλειες στα πακέτα λόγω συμφόρησης μπορεί να εξασθενήσουν την ανίχνευση γεγονότων από τον σταθμό, ακόμη και αν σταλούν αρκετές πληροφορίες από τις πηγές. Με Έλεγχο Συμφόρησης γίνεται αξιόπιστη ανίχνευση γεγονότος και βοηθά στην συντήρηση των ελάχιστων πόρων. Αυτόματη Διαμόρφωση: Πρέπει να υπάρχει προσαρμοστικότητα στην δυναμική τοπολογία που προκαλείται από την κινητικότητα/βλάβη/προσωρινή απενεργοποίηση κόμβων και την τυχαία τοποθέτηση των κόμβων. Ενεργειακή Συνείδηση: Οι λειτουργίες που αποβαίνουν από το επίπεδο μεταγωγής πρέπει να καταναλώνουν την ελάχιστη δυνατή ενέργεια. Για παράδειγμα η επίτευξη των στόχων για έλεγχο σφαλμάτων και συμφόρησης, πρέπει να γίνεται με την δαπάνη της ελάχιστη ενέργειας (π.χ. μείωση εκπεμπόμενης πληροφορίας στην ελάχιστη δυνατή ή προσωρινή απενεργοποίηση κόμβων).

20 Page 20 Μερική Συνεργασία: Οι αλγόριθμοι πρέπει να σχεδιάζονται ώστε να τρέχουν κυρίως από τον σταθμό και έτσι οι κόμβοι να λειτουργούν με τα εντελώς αναγκαία. Περιορισμένη Δρομολόγηση/Διευθυνσιοδότηση: Σε αντίθεση με το πρωτόκολλο TCP, δεν υπάρχει σύνδεση από άκρο σε άκρο (end to end) με παγκόσμια διευθυνσιοδότηση, αλλά χρήση ονομασίας βάση χαρακτηριστικών και δρομολόγησης βάση του κέντρου δεδομένων. Λόγω της φύσης των WSN που βασίζονται στη συνεργασία και στις εφαρμογές, η κύρια ροή δεδομένων βρίσκεται σε δυο διαδρομές: Προς τα μπρός: Οι κόμβοι πηγές στέλνουν τα δεδομένα στον σταθμό. Προς τα πίσω: Το αντίστροφο (αποστολή αιτήσεων, εντολών, προγραμματισμού) Εδώ φαίνεται ότι ο μηχανισμός αξιόπιστης αποστολής των δεδομένων χρειάζεται να είναι 100% στην περίπτωση της διάδοσης προς τα πίσω (π.χ. αποστολή κώδικα αλλαγής λειτουργίας κόμβων) αλλά μπορεί να είναι ανεκτικός σε απώλειες στην διάδοση προς τα μπρός Μεταγωγή Γεγονότος Προς Δέκτη Ένα γεγονός σε σύστημα αισθητήρων χρειάζεται να παρακολουθείται με κάποιο ποσοστό ακρίβειας από τον δέκτη. Έτσι, σε αντίθεση με άλλα δίκτυα, απαιτείται η έννοια της αξιοπιστίας του γεγονότος προς δέκτη σε επίπεδο μεταγωγής. Αυτό συμπεριλαμβάνει την αξιόπιστη επικοινωνία των χαρακτηριστικών γνωρισμάτων γεγονότων με τον δέκτη αντί για την συμβατική αξιόπιστη αποστολή που βασίζεται σε πακέτα που παράγονται από κάθε κόμβο ξεχωριστά. Παράδειγμα τέτοιας μεταφοράς που βασίζεται στην ομαδική ταυτοποίηση των ροών πληροφορίας δίνεται στην Εικόνα 2.6. Για την αξιόπιστη ανίχνευση γεγονότων από τον δέκτη, πρέπει και το επίπεδο μεταγωγής να μπορεί να αντιμετωπίζει ενδεχόμενες συμφορήσεις στην κατεύθυνση προς τα μπρός. Η ανίχνευση του γεγονότος από ένα αριθμό αισθητήρων μέσα στην περιοχή του φαινομένου οδηγεί σε μεγάλη κυκλοφορία δεδομένων που μπορούν εύκολα να οδηγήσουν σε συμφόρηση. Κάτι τέτοιο θα είναι φυσικά καταστρεπτικό για την παρατηρητική ακρίβεια του δέκτη. Εικόνα 2.6 Γεγονός προς Δέκτη (A.F.) Ακόμη, αν και η αξιοπιστία του γεγονότος προς δέκτη βασίζεται στην συσχέτιση των ροών δεδομένων, ένας κατάλληλος μηχανισμός ελέγχου συμφόρησης θα βοηθήσει στην συντήρηση της ενέργειας και συγχρόνως στην διατήρηση των επιθυμητών επιπέδων ακρίβειας του δέκτη. Οι λύσεις σε επίπεδο μεταγωγής στα συμβατικά ασύρματα δίκτυα είναι σχετικές αλλά μη εφαρμόσιμες όσο αφορά την αξιοπιστία μεταφοράς γεγονότος προς δέκτη στα WSN. Τέτοιες λύσεις συγκεντρώνονται περισσότερο σε εφαρμογές TCP από άκρο σε άκρο, δηλαδή σε χρήση αναγνώρισης (ACKnowledgment) και επανεκπομπών. Λόγω των φυσικών συσχετίσεων των ροών δεδομένων σε δίκτυο αισθητήρων, η χρήση τέτοιων μηχανισμών οδηγούν σε σημαντική κατανάλωση της ενέργειας και είναι περιττοί. Ακόμη θα απαιτούν σημαντική ποσότητα μνήμης αφού τα πακέτα θα είναι σε αναμονή στην προσωρινή μνήμη (buffer) περιμένοντας την αναγνώριση (ACK) από τον δέκτη. Οι κόμβοι όμως έχουν περιορισμένο χώρο για προσωρινή μνήμη. Με την χρήση ακόμη ενός πρωτοκόλλου, του πρωτόκολλου Αξιόπιστης Αποστολής Γεγονότοςπρος δέκτη (ESRT: Event to Sink Reliable Transfer), παρέχεται αξιόπιστη ανίχνευση γεγονότος χωρίς την ανάγκη χρήσης ενδιάμεσης κρυφής μνήμης. Το ESRT είναι νέα λύση που αναπτύχτηκε για τα WSN με

21 Page 21 ελάχιστη δαπάνη σε ενέργεια (τρέχει κυρίως στον δέκτη) και έλεγχο συμφόρησης. Επίσης δεν χρειάζεται να κάνει ξεχωριστή ταυτοποίηση κάθε κόμβου Μεταγωγή Δέκτη Προς Αισθητήρες Στην διαδρομή προς τα πίσω, η ροή περιλαμβάνει κατά κύριο λόγο δεδομένα που εκπέμπονται από τον δέκτη για λειτουργικούς σκοπούς ή σχετίζονται με την εφαρμογή. Μπορεί να περιλαμβάνουν δυαδικές πληροφορίες του λειτουργικού συστήματος, αρχεία διαμόρφωσης προγραμματισμού/ επανατοποθέτησης ή αιτήσεις και εντολές σε σχέση με τις εφαρμογές. Η διάδοση τέτοιου είδους πληροφοριών απαιτεί στις περισσότερες περιπτώσεις την παραλαβή τους με 100% απόδοση, παρατηρώντας και πάλι τις απαιτήσεις στην διάδοση προς τα πίσω. Η τήρηση αυτών των απαιτήσεων περιλαμβάνει ενδεχόμενες επαναεκπομπές και μηχανισμούς αναγνώρισης (ACKnowledge). Τέτοιοι μηχανισμοί χρειάζεται να ενσωματωθούν με προσοχή στα πρωτόκολλα επιπέδου μεταγωγής ώστε να μην επηρεαστούν οι περιορισμένοι πόροι του δικτύου. Στην μεταφορά δεδομένων προς τα πίσω ο δέκτης έχει τον μεγαλύτερο ρόλο. Δεν έχει περιορισμούς σε ενέργεια και πόρους επικοινωνίας, οπότε έχει την ικανότητα να εκπέμπει δεδομένα με την χρήση ισχυρής κεραία, μειώνοντας έτσι τις πολλαπλές αναπηδήσεις (multi hop) και συντηρώντας την ενέργεια των κόμβων. Σε αντίθεση με την διαδρομή προς τα μπρός που εξαρτάται εξολοκλήρου στην επικοινωνία με πολλαπλές αναπηδήσεις (άρα μεγάλες συμφορήσεις), η διαδρομή προς τα πίσω δεν χρειάζεται τόσο αυστηρούς μηχανισμούς έλεγχου συμφόρησης. Οι πολλαπλές αναπηδήσεις και η σχέση ένα προς πολλά που ισχύουν στις ροές πληροφορίας προς τα πίσω, οδήγησαν στην αναθεώρηση αξιόπιστων λύσεων για πολυ εκπομπές (multicast) που προτάθηκαν για άλλα ενσύρματα/ασύρματα δίκτυα. Και πάλι όμως η χρήση τέτοιων σχημάτων δεν είναι δυνατή χωρίς να υποστούν πρώτα αρκετές αλλαγές/βελτιώσεις για να ανταποκρίνονται στις μοναδικές απαιτήσεις των WSN. Για την αξιόπιστη επανατοποθέτηση/επαναπρογραμματισμό στα WSN έχει προταθεί ο μηχανισμός Αργής Εκπομπής/Γρήγορης Λήψης (PSFQ: Pump Slowly, Fetch Quickly). Ο PSFQ βασίζεται στην αργή εισαγωγή πακέτων στο δίκτυο, αποκαθιστώντας απώλειες πακέτων σε κάθε αναπήδηση. Η διεργασία εκπομπής πλημμυρίζει με ελεγχόμενο τρόπο το δίκτυο όπου κάθε ενδιάμεσος κόμβος διατηρεί προσωρινή μνήμη για ανάκτηση τοπικών απωλειών και την παράδοση δεδομένων. Ο PSFQ όμως δεν είναι ικανός να ανταποκριθεί στην περίπτωση ανάκτησης πακέτων από απώλειες λόγω συμφόρησης. 2.4 Επίπεδο Δικτύου Οι κόμβοι είναι διεσπαρμένοι σε μια περιοχή κοντά ή εντός του φαινομένου. Λόγω της πυκνότητας τους οι γειτονικοί κόμβοι μπορεί να βρίσκονται πολύ κοντά ο ένας στον άλλο οπότε αναμένετε η επικοινωνία πολλαπλών αναπηδήσεων να καταναλώνει λιγότερη ενέργεια από μια παραδοσιακή επικοινωνία απλής αναπήδησης. Επιπλέων, η ισχύς εκπομπής μπορεί να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα και με πολλαπλές αναπηδήσεις να ξεπεραστούν κάποια προβλήματα διάδοσης σήματος που παρατηρούνται στις ασύρματες επικοινωνίες μεγάλης εμβέλειας. Η σχεδίαση του επιπέδου δικτύου σε δίκτυο αισθητήρων, γίνεται συνήθως βάση των ακόλουθων αρχών: Η αποδοτικότητα της ισχύος πρέπει να λαμβάνεται πάντα υπόψη. Τα δίκτυα αισθητήρων έχουν συνήθως επικεντρωμένα δεδομένα.

22 Page 22 Ένα ιδανικό δίκτυο αισθητήρων χρησιμοποίει διευθυνσιοδότηση βάση των χαρακτηριστικών και με γνώση της τοπολογίας. Η συνάθροιση στοιχείων είναι χρήσιμη μόνο όταν δεν εμποδίζει την προσπάθεια συνεργασίας μεταξύ κόμβων. Το πρωτόκολλο δρομολόγησης μπορεί να ενσωματωθεί εύκολα σε άλλα δίκτυα όπως το Διαδίκτυο. Τα ποιο πάνω αποτελούν τις κατευθυντήριες γραμμές στον σχεδιασμό του πρωτοκόλλου δρομολόγησης. Συγκεκριμένα, στην περίπτωση διευθυνσιοδότησης βάση των χαρακτηριστικών, οι χρήστες στέλνουν αιτήσεις βάση κάποιου χαρακτηριστικού του φαινομένου (π.χ. η περιοχή όπου >40 ο C). Για παράδειγμα όταν η διάδοση ενδιαφέροντος βασίζεται σε σύστημα επικεντρωμένων δεδομένων τότε ανατίθενται οι αναγκαίες μετρήσεις στους κόμβους. Αυτή η διάδοση γίνεται με δυο τρόπους: (i) Οι χρήστες (μέσω των κόμβων) εκπέμπουν το ενδιαφέρον τους. (ii) Οι κόμβοι εκπέμπουν τα διαθέσιμα δεδομένα και αναμένουν αιτήσεις από τους ενδιαφερόμενους χρήστες. Η δρομολόγηση στα συστήματα με επικεντρωμένα δεδομένα είναι σημαντική. Είναι αναγκαίος και ο συνδυασμός με την Συνάθροιση Δεδομένων, τεχνικής επίλυσης ενδεχομένων προβλημάτων κατάρρευσης και επικάλυψης. Εδώ το δίκτυο αισθητήρων θεωρείται συνήθως ως ένα δέντρο αντίστροφων πολλαπλών εκπομπών, όπου ο δέκτης ζητάει από του κόμβους να δώσουν αναφορά για την κατάσταση του φαινομένου (Εικόνα 2.7). Τα δεδομένα που προέρχονται από πολλαπλούς κόμβους συναθροίζονται όταν κατά την πορεία τους προς τον δέκτη φτάσουν στον ίδιο κόμβο. Δηλαδή ο κόμβος Ε συναθροίζει τα δεδομένα από τους κόμβους Α και Β, και ο F των C και D. Παράγονται δηλαδή σύνολα σημαντικών πληροφοριών. Ο μηχανισμός αυτός είναι γνωστός και ως Συνδυασμός Δεδομένων (Data Fusion). Επίσης η συνάθροιση πρέπει να γίνεται με προσοχή ώστε να μην χάνονται λεπτομέρειες από τα δεδομένα (π.χ. τοποθεσία των κόμβων που έδωσαν τα δεδομένα). Σημαντική λειτουργία είναι επίσης η συνεργασία με άλλα δίκτυα όπως WSN και Διαδίκτυο. Οι δέκτες π.χ. χρησιμοποιούνται ως πύλες (gateways) άλλων δικτύων ή εξυπηρετούν ως ραχοκοκαλιά άλλων δικτύων (Εικόνα 2.8). Εικόνα 2.7 Συνάθροιση Δεδομένων (A.F.) Εικόνα 2.8 Συνεργασία WIRELESS με SENSOR άλλα δίκτυα NETWORKS (1 + A.F.)

23 Page 23 Κατά την ανάπτυξη του πρωτοκόλλου δρομολόγησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια από τις πιο κάτω προσεγγίσεις για επιλογή μιας ενεργειακά αποδοτικής διαδρομής (βάση της Εικόνας 2.9): Πιθανές Διαδρομές Περιγραφή Διαδρομή 1 Δέκτης A B T, Ολικό PA=4, Ολικό α=3 Διαδρομή 2 Δέκτης A B C T, Ολικό PA=6, Ολικό α=6 Διαδρομή 3 Δέκτης D T, Ολικό PA=3, Ολικό α=4 Διαδρομή 4 Δέκτης E F T, Ολικό PA=5, Ολικό α=6 (Τ: ο κόμβος πηγή που ανιχνεύει το φαινόμενο) Εικόνα 2.9 Επιλογή Διαδρομής (1 + A.F.) Διαδρομή Μέγιστης Διαθέσιμης Ισχύς (PA: Available Power) Προτιμάτε η διαδρομή με την μέγιστη PA. Υπολογίζεται αθροίζοντας την PA από κάθε κόμβο που σχηματίζει την διαδρομή. Άρα, επιλέγεται η Διαδρομή 2. Όμως, αποτελείται από την Διαδρομή 1 και ένα ακόμη κόμβο, οπότε δεν αποτελεί ενεργειακά αποδοτική διαδρομή. Πρέπει δηλαδή να μην υπάρχουν συντομότερες διαδρομές. Άρα, επιλέγεται η Διαδρομή 4. Διαδρομή Ελάχιστης Ενέργειας (ΜΕ: Minimum Energy) Η διαδρομή με την ελάχιστη ενέργεια δίνεται από το ολικό α, άρα είναι η Διαδρομή 1. Διαδρομή Ελάχιστων Αναπηδήσεων (MH: Minimum Hop) Η Διαδρομή 3 είναι η πιο αποδοτική βάση αυτού του κριτηρίου. Διαδρομή Κόμβων Μέγιστης Ελάχιστης Διαθέσιμης Ισχύς Προτιμάται η διαδρομή της οποίας ο κόμβος με την ελάχιστη ΡΑ είναι μεγαλύτερη από τις ελάχιστες ΡΑ άλλων διαδρομών. Δηλαδή η Διαδρομή 3 είναι η πιο αποδοτική και μετά

24 Page 24 η Διαδρομή 1. Αυτό το κριτήριο αποκλείει το ρίσκο να χρησιμοποιούνται νωρίς οι κόμβοι με τις μικρότερες ΡΑ. Πιο κάτω είναι η επισκόπηση σχεδίων δικτυακού επιπέδου: Σχέδιο Περιγραφή SMECN Δημιουργεί υπο γράφημα του δικτύου με τις διαδρομές ελάχιστης ενέργειας. LEACH Σχηματίζει ομάδες για να ελαχιστοποιήσει τις διαφορές τιμών ενέργειας. SAR Σχηματίζει πολλαπλά δένδρα. Κάθε ρίζα απέχει μια αναπήδηση από τον δέκτη. Flooding Εκπέμπει δεδομένα σ όλους τους γειτονικούς κόμβους (ασχέτως αν τα είχαν πάρει πριν). Gossiping Στέλνει δεδομένα σε τυχαία επιλεγμένο γειτονικό κόμβο. SPIN Στέλνει δεδομένα σε κόμβο μόνο αν τον ενδιαφέρουν. Χρησιμοποιεί τα μηνύματα: ADV, REQ, DATA Directed Diffusion Δημιουργεί κλήσεις στην ροή δεδομένων από την πηγή στον δέκτη κατά την διάδοση ενδιαφέροντος. SMECN: Small Minimum Energy Communication Network LEACH: Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy SAR: Sequential Assignment Routing SPIN: Sensor Protocol for Information via Negotiation. 2.5 Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων (Data Link) Ο αντικειμενικός σκοπός των WSN είναι η αξιόπιστη ανίχνευση ενός γεγονότος από τον δέκτη, βασιζόμενη στην προσπάθεια περισυλλογής από τους κόμβους. Γενικά το επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων είναι υπεύθυνο κατά κύριο λόγω για την πολυπλεξία στην ροή δεδομένων, την ανίχνευση των πακέτων δεδομένων και τον έλεγχο μέσης πρόσβασης και σφάλματος. Επίσης εξασφαλίζει την αξιόπιστη σύνδεση στις περιπτώσεις επικοινωνίας άκρο σε άκρο και άκρο σε πολλαπλά άκρα. Η επίτευξη των πιο πάνω όμως εξαρτάται από την συνεργάσιμη και βασιζόμενη σε εφαρμογές φύση των WSN, όπως και στους περιορισμούς που εφαρμόζονται στους κόμβους Έλεγχος Μέσου Πρόσβασης (MAC: Medium Access Control) Τα πρωτόκολλα MAC σε WSN με πολλαπλές αναπηδήσεις και αυτόματης οργάνωσης πρέπει να έχουν δυο στόχους: i. Την επίτευξη σύνδεσης επικοινωνίας για την μεταφορά δεδομένων. ii. Την ρύθμιση της πρόσβασης στα κοινά μέσα έτσι ώστε οι πόροι επικοινωνίας να διαμοιράζονται δίκαια και αποτελεσματικά μεταξύ των κόμβων. Όπως είναι γνωστό οι απαιτήσεις των δικτύων αισθητήρων δεν συμβαδίζουν με τα πρωτόκολλα MAC των συμβατικών ασύρματων δικτύων (π.χ. συντήρηση ενέργειας). Αν και η τεχνολογίες Bluetooth και MANET (Mobile Ad Hoc Network) παρουσιάζουν κοινά σημεία με τα WSN όσο αφορά την υποδομή επικοινωνίας, η κατανάλωση ενέργειας είναι δευτερεύουσας σημασίας. Για παράδειγμα, η τυπική τιμή ισχύς εκπομπής μιας συσκευής Bluetooth είναι γύρω στα 20dBmW και η εμβέλεια μετάδοσης είναι

25 Page 25 μερικές δεκάδες μέτρα. Η ισχύς εκπομπής ενός κόμβου αισθητήρα όμως είναι γύρω στα 0dBmW και άρα με πολύ μικρότερη εμβέλεια. Έχει αποδειχτεί ότι το πρωτόκολλό MAC στα δίκτυα αισθητήρων πρέπει να ενσωματώνει στρατηγικές συντήρησης ενέργειας, διαχείρισης κινητικότητας και επαναφορά δεδομένων από τυχόν αποτυχίες. Μερικά MAC που προτάθηκαν για τα WSN αναφέρονται περιληπτικά παρακάτω: Πρωτόκολλο MAC Πρόσβαση Καναλιού Χαρακτηριστικά& Πλεονεκτήματα SMACS Σταθερή κατανομή διπλών slots χρόνου με σταθερή συχνότητα. Εκμεταλλεύεται μεγάλο μέρος του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε σχέση με τον ρυθμό δεδομένων των αισθητήρων. Τυχαίες ενάρξεις κατά την διάρκεια της εγκατάστασης & απενεργοποιήσεις του ραδιοπομπού όταν σε αναμονή. Hybrid TDMA/FDMA CSMA based Επικεντρωμένη συχνότητα και διαχωρισμός χρόνου. Υποθέσεις βάση τυχαίας πρόσβασης. Βέλτιστος αριθμός καναλιών για ελάχιστη ενέργεια συστήματος. Προσέγγιση βάση υλικού για ελαχιστοποίηση ενέργειας συστήματος. Μετατόπιση φάσης εφαρμογής και καθυστέρηση προ εκπομπής. Σταθερός χρόνος ακρόασης για αποδοτικότητα ενέργειας. Η δυνατότητα εφαρμογής βασικών MAC σe WSN αναλύεται παρακάτω με κάποιες λύσεις: Πρόσβαση Μέσου βάση Πολλαπλής Πρόσβασης Διαχωρισμένου Χρόνου (Time Division Multiple Access, TDMA, Based Medium Access) Στο TDMA δίνεται κανάλι επικοινωνίας σε κόμβο για συγκεκριμένη χρονική διάρκεια. Συντηρεί περισσότερη ενέργεια σε σχέση με ένα άλλο σχήμα που βασίζεται σε υποθέσεις αφού μειώνεται ο κύκλος λειτουργίας του ραδιοπομπού. Το SMACS (Self organizing Access Control for Sensor Networks) είναι ένα τέτοιου είδους πρωτόκολλο που βασίζεται στις θέσεις χρόνου (time slots), όπου κάθε κόμβος διατηρεί περιθώριο βασιζόμενο σε TDMA, γνωστό ως υπέρ περιθώριο (super frame), στο οποίο ο κόμβος προγραμματίζει διαφορετικές θέσεις χρόνου για να επικοινωνεί με γνωστούς γειτονικούς κόμβους. Πρόσβαση Μέσου βάση Υβριδικού TDMA/FDMA (Hybrid TDMA/FDMA, Frequency Division Multiple Access, based Medium Access) Ένα καθαρά TDMA σχήμα αφιερώνει εξολοκλήρου το κανάλι σε ένα κόμβο. Ένα καθαρά FDMA σχήμα όμως διαθέτει το ελάχιστο εύρος ζώνης του σήματος σε κάθε κόμβο. Οπότε ο συνδυασμός των δυο δίνει ανάλογο έλεγχο και διαχείριση ενέργειας. Ο βέλτιστος αριθμός καναλιών υπολογίζεται από τον λόγο κατανάλωσης ενέργειας του πομπού ως προς του δέκτη. Αν ο πομπός ή δέκτης καταναλώνει περισσότερη ενέργεια, τότε ευνοείτε η χρήση TDMA ή FDMA αντίστοιχα. Πρόσβαση Μέσου βάση Πολλαπλής Πρόσβασης με Αισθητήριο Φορέα (Carrier Sense Multiple Access, CSMA, based Medium Access) Πρωτόκολλο MAC που βασίζεται σε CSMA και έχει δυο σημαντικά μέρη: Τον μηχανισμό ακρόασης και το σύστημα απομάκρυνσης. Οι συνεχείς περίοδοι ακρόασης είναι

26 Page 26 αποδοτικοί ως προς την ενέργεια και η εισαγωγή τυχαίων καθυστερήσεων επιφέρουν ανθεκτικότητα ως προς επανειλημμένες συγκρούσεις Έλεγχος Σφάλματος Σε επίπεδο ζεύξης δεδομένων, εκτός από το MAC υπάρχει και ο έλεγχος σφάλματος (error control) στα δεδομένα που εκπέμπονται σε ένα WSN, ειδικά σε εφαρμογές όπως η κινητή ανίχνευση και η παρακολούθηση μηχανής. Μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δυο προσεγγίσεις: Αυτόματη Αίτηση Επανάληψης (ARQ: Automatic Repeat Request) Βασίζεται στην επανεκπομπή για ανάνηψη χαμένων πακέτων. Αυτό σημαίνει αρκετά επιπρόσθετο κόστος για επανεκπομπές οπότε η χρήση του στα WSN είναι περιορισμένη λόγω των απαιτήσεων του σε ενέργεια και επεξεργαστικών πόρων. Απασφαλμάτωση Προς τα Μπρός (FEC: Forward Error Correction) Τέτοιου είδους σχήματα συμπεριλαμβάνουν κάποια πολυπλοκότητα αποκωδικοποίησης που χρειάζεται αρκετούς επεξεργαστικού πόρους. Από αυτήν την άποψη, κώδικες ελέγχου σφάλματος με κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση μικρής πολυπλοκότητας μπορούν να εφαρμοστούν στα WSN. Ακόμη, η απρόβλεπτη και δύσκολη φύση των καναλιών στις διάφορες εφαρμογές των δικτύων αισθητήρων καταστεί αναγκαία την καλή γνώση των χαρακτηριστικών τους και των τεχνικών εφαρμογής σχεδίασης αξιόπιστων σχημάτων FEC. Ο ρυθμός σφαλμάτων σε bit (BER: bit error rate) είναι μια καλή ένδειξη αξιόπιστης σύνδεσης. Είναι άμεσα ανάλογος με τον ρυθμό συμβόλων και αντιστρόφως ανάλογος της λαμβανόμενης αναλογίας σήματος προς θόρυβο και του επιπέδου εκπεμπόμενης ισχύος. Σε συγκεκριμένο σχήμα η λαμβανόμενη ενέργεια ανά σύμβολο θα μειώνεται αν ο ρυθμός συμβόλων δεδομένων και η ισχύς εκπομπής παραμένουν σταθερά. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερο BER στην είσοδο του αποκωδικοποιητή απ ότι αν δεν υπήρχε κωδικοποίηση. Τότε ο αποκωδικοποιητής αξιοποιεί τα λαμβανόμενα περιττά bits για την διόρθωση των εκπεμπόμενων σφαλμάτων ως κάποιο βαθμό. Γενικά, η καλή επιλογή κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων επιφέρει την μείωση του BER και του γενικού κέρδους. Το κέρδος κωδικοποίησης εκφράζεται συνήθως με το ποσοστό αναγκαίας επιπρόσθετης ισχύς εκπομπής για την επίτευξη του ίδιου BER χωρίς κωδικοποίηση. Για παράδειγμα, ένας απλός κώδικας Hamming μειώνει τον BER σχεδόν κατά 10 3 και επιφέρει κέρδος κωδικοποίησης στα 1.5 db για δεδομένα δυαδικής μορφοποίησης και προσαρμοστικό μοντέλο λευκού Γκαουσιανού θορύβου (white Gaussian noise). Υπάρχει δηλαδή αξιόπιστη σύνδεση αυξάνοντας την ισχύ εκπομπής ή χρησιμοποιώντας κατάλληλο σχήμα FEC. Με την χρήση όμως FEC για μείωση του BER, πρέπει να ληφθεί υπόψη και η επιπρόσθετη επεξεργαστική ισχύς που καταναλώνεται κατά την διάρκεια της κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης, η οποία πρέπει να είναι λιγότερη από την εξοικονομημένη ισχύ εκπομπής.

27 Page Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Το φυσικό επίπεδο είναι υπεύθυνο για την μετατροπή των ροών bits σε κατάλληλα σήματα επικοινωνίας καναλιού. Συγκεκριμένα είναι υπεύθυνο για την επιλογή συχνότητας, την παραγωγή συχνότητας φορέα, την ανίχνευση του σήματος και την διαμόρφωση και κωδικοποίηση των δεδομένων. Σε ένα δίκτυο αισθητήρων πολλαπλών αναπηδήσεων πρέπει το επιλεγμένο ασύρματο μέσο (ράδιο, υπέρυθρες, οπτικό κ.α.) να είναι διαθέσιμο παγκόσμια. Μια επιλογή για ράδιο σύνδεση είναι η χρήση της Βιομηχανικής, Επιστημονικής και Ιατρικής (ISM: Industrial, Scientific and Medical) μπάντας, για την οποία δεν χρειάζεται άδεια χρήσης στις περισσότερες χώρες. Ο Διεθνής Πίνακας Κατανομών Συχνότητας δίνει τις μπάντες συχνοτήτων που μπορούν να είναι διαθέσιμες σε εφαρμογές ISM: Μπάντα Συχνοτήτων Κεντρική Συχνότητα khz 6780 khz khz khz khz khz MHz MHz MHz MHz MHz 915 MHz MHz 2450 MHz MHz 5800 MHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz 245 GHz Μερικές από αυτές τις μπάντες χρησιμοποιούνται ήδη από κάποια συστήματα ασύρματων τηλεφώνων και WLANs. Στα δίκτυα αισθητήρων χρειάζεται ένας μικρός Δέκτης/Πομπός χαμηλού κόστους και ενέργειας. Οι περιορισμοί υλικού και η ανταλλαγή μεταξύ αποδοτικότητας κεραίας και κατανάλωσης ενέργειας περιορίζουν τις επιλογές φορέα συχνότητας στην περιοχή των UHF (Ultra High Frequency). Για την Ευρώπη έχει προταθεί η χρήση των 433 MHz ISM και στην Βόρια Αμερική, των 917 MHz ISM. Τα πλεονεκτήματα φυσικά από την χρήση ISM μπάντας είναι η δωρεάν χρήση των ράδιο συχνοτήτων, η μεγάλη κατανομή φάσματος και η παγκόσμια διαθεσιμότητα. Το περισσότερο υλικό που χρησιμοποιείται στους κόμβους αισθητήρων βασίζεται στην σχεδίαση κυκλωμάτων με ράδιο συχνότητα (RF: Radio Frequency). Για παράδειγμα, οι κόμβοι ασύρματων αισθητήρων μamps (μ Adaptive Multi domain Power aware Sensor) που δημιουργήθηκαν στο MIT (Massachusetts Institute Of Technology), χρησιμοποιούν ένα Δέκτη/Πομπό συμβατό με Bluetooth στα 2.4 GHz με εγκατεστημένο συνθέτη συχνοτήτων. Μια ακόμη επιλογή για επικοινωνία μεταξύ κόμβων είναι οι υπέρυθρες, οι οποίες δεν χρειάζονται άδεια χρήσης και αντέχουν στις παρεμβολές από ηλεκτρικές συσκευές. Επίσης, τέτοιοι Δέκτες/Πομποί είναι πιο φθηνοί και κατασκευάζονται εύκολα. Το μεγάλο τους όμως μειονέκτημα είναι η ανάγκη οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη οπότε μειώνονται οι πιθανότητες χρήσης τους. Ενδιαφέρουσα κατασκευή είναι ο κόμβος Smart Dust. Ένα σύστημα αυτόνομων υπολογισμών, αισθητηρίου και επικοινωνίας που χρησιμοποιεί οπτικό μέσο για τις εκπομπές. Ο όρος Smart Dust

28 Page 28 χρησιμοποιείται γενικά για την περιγραφή δικτύων, μικροσκοπικού ασύρματου μικροηλεκτρομηχανικού συστήματος (MEMS: Microelectromechanical System) κόμβων. Δυο σχήματα εκπομπής είναι η Παθητική Εκπομπή που χρησιμοποιεί Οπισθοανακλαστήρα Γωνίας Κύβου (Corner Cube Retroreflector) δηλ. χρήση τριών αμοιβαία ορθογώνιων ανακλαστήρων (Εικόνα 2.10) και η Ενεργή Επικοινωνία με λέιζερ διόδου και κατευθυνόμενους καθρέφτες. Στο πρώτο σχήμα, ο κόμβος δεν χρειάζεται εγκατεστημένη πηγή φωτός. Η ρύθμιση των τριών καθρεφτών χρησιμοποιείται για επικοινωνία με ψηφιακό υψηλό ή χαμηλό (high or low). Στο δεύτερο, χρησιμοποιείται εγκατεστημένο λέιζερ διόδου και ένα ενεργά ελεγχόμενο σύστημα επικοινωνίας με λέιζερ για την αποστολή παράλληλης φωτεινής ακτίνας προς συγκεκριμένο κόμβο. Η επιλογή μέσου εκπομπής είναι μεγάλη πρόκληση. Σε ναυτικές εφαρμογές χρειάζεται υδάτινο μέσο εκπομπής π.χ. Εικόνα 2.10 Παθητική Εκπομπή (G.I.) ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος που μπορεί να διαπερνά την επιφάνεια της θάλασσας. Ενώ σε ένα αφιλόξενο πεδίο μάχης τα κανάλια πιθανόν να είναι επιρρεπή σε σφάλματα, παρεμβολές και ίσως οι κεραίες των κόμβων να είναι πιο μικρές σε μήκος και σε ισχύ, οπότε θα χρειάζεται ενίσχυση με χρήση κωδικοποίησης. Συνεπώς, η επιλογή ενός καλού σχήματος διαμόρφωσης είναι κρίσιμη. Παράδειγμα τέτοιων σχημάτων είναι το Δυαδικό και το M ary. To M ary μπορεί να στείλει πολλαπλά bits ανά σύμβολο μειώνοντας έτσι τον χρόνο εκπομπής. Το κύκλωμα του όμως είναι πολύπλοκο και έχει αυξημένη κατανάλωση ισχύς. Έχει υπολογιστεί ότι υπό συνθήκες εκκίνησης υψηλής ισχύος είναι πιο αποδοτική η χρήση του Δυαδικού σχήματος, οπότε τα κέρδη από την χρήση του Μ ary αξιοποιούνται αν η εκκίνηση είναι σε χαμηλή ισχύ. Το ράδιο Υπέρ Διευρημένης Μπάντας (UWB: Ultra Wideband) ή αλλιώς ράδιο ώθησης, έχει χρησιμοποιηθεί σε ραντάρ παλμών βασικής ζώνης και σε συστήματα εμβέλειας. Τελευταία έχει τραβήξει αρκετό ενδιαφέρον για χρήση ειδικά σε ασύρματα δίκτυα εσωτερικού χώρου. Το UWB εκπέμπει στην βασική ζώνη και έτσι δεν χρειάζεται ενδιάμεσες ή φορέα ράδιο συχνοτήτων. Κύριο πλεονέκτημα του είναι η ανθεκτικότητα στα πολλαπλά μονοπάτια, οπότε λόγω της χαμηλής ισχύς εκπομπής και του απλού κυκλώματος Δέκτη/Πομπού αποτελεί ελκυστική λύση για τα WSN. Είναι γνωστό ότι η ασύρματη επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις, κοστίζει σε ενέργεια και χρήμα. Κατά την σχεδίαση του φυσικού επιπέδου, η εξοικονόμηση ενέργειας είναι πιο σημαντική παράμετρος. Γενικά η ελάχιστη ισχύς που απαιτείται για την εκπομπή σήματος σε απόσταση d είναι ανάλογη προς d n, όπου 2 n<4. Ο συντελεστής n 4 για χαμηλές κεραίες και για κανάλια που είναι κοντά στο έδαφος δηλ. περιπτώσεις που ισχύουν συχνά στα WSN. Αυτό εξηγείται από την εν μέρη απόρριψη του σήματος από ακτίνα που αντανακλάστηκε στο έδαφος. Για παράδειγμα, η επικοινωνία πολλαπλών αναπηδήσεων μπορεί να ξεπεράσει την επισκίαση και τις απώλειες αν η πυκνότητα των κόμβων είναι αρκετά μεγάλη. 2.7 Συγχρονισμός Αντί για τον απλό συγχρονισμό μεταξύ πομπού και δέκτη, όπως στο Διαδίκτυο, οι κόμβοι αισθητήρων πρέπει να διατηρούν παρόμοιους χρόνους (με κάποια ανοχή). Επιπλέων, οι κόμβοι ενδεχομένως να μην συντηρούνται για μεγάλα χρονικά διαστήματα (π.χ. στο διάστημα ή σε ωκεανό). Στις

29 Page 29 εκπομπές πολλαπλών αναπηδήσεων σε μικρές αποστάσεις, όταν ο χρόνος επεξεργασίας των δεδομένων δεν είναι σταθερός μπορεί να συνεισφέρει στην διακύμανση του χρόνου και στην διάφορες καθυστερήσεις αναλόγως της διαδρομής. Ακόμη, η αυξανόμενη διαφορά χρόνου μεταξύ δυο κόμβων προκαλεί το φαινόμενο περιπλάνησης των τοπικών ρολογιών (Εικόνα 2.11). Παράγοντες που επηρεάζουν τον συγχρονισμό τόσο στα μεγάλα συστήματα όσο και στα δίκτυα αισθητήρων είναι: Θερμοκρασία: Επειδή οι κόμβοι έχουν διάφορες εφαρμογές, οι εναλλαγές θερμοκρασίας κατά την διάρκεια της ημέρας μπορούν να προκαλέσουν επιτάχυνση ή επιβράδυνση του ρολογιού. Φασικός Θόρυβος: Φασικό θόρυβο προκαλούν η διακύμανση της πρόσβασης στις διεπαφές υλικού, οι εναλλαγές ανταπόκρισης του λειτουργικού συστήματος στις διακοπές, οι διακυμάνσεις των καθυστερήσεων κ.α. Θόρυβος Συχνότητας: Οφείλεται στην αστάθεια του κρυστάλλου του ρολογιού. Σε κρύσταλλο χαμηλής ποιότητας μπορεί παρουσιαστούν μεγάλες εναλλαγές συχνότητας γιατί το φάσμα συχνότητας του έχει μεγάλες πλευρικές μπάντες σε γειτονικές συχνότητες. Ασύμμετρη Καθυστέρηση: Η καθυστέρηση επικοινωνίας μεταξύ δύο κόμβων μπορεί να διαφέρει λόγω των καθυστερήσεων στην διαδρομή επιστροφής. Έτσι προκαλείται μετατόπιση στο ρολόι που δεν ανιχνεύεται από μια μέθοδο τύπου διαφοράς. Αν η ασύμμετρη καθυστέρηση είναι στατική τότε και η μετατόπιση είναι στατική. Κολλήματα Ρολογιού: Κολλήματα από ανωμαλίες υλικού ή λογισμικού (όπως βήματα συχνότητας και χρόνου), προκαλούν αναπηδήσεις στον χρόνο του ρολογιού. Υπάρχουν τρείς τεχνικές συγχρονισμού: Εικόνα 2.11 Φαιν. Περιπλάνησης (G.I. + A.F.) Τύπος (1) Βασίζεται σε διακοσμητές σταθερού χρόνου για τον συγχρονισμό του δικτύου (2) Μεταφράζει τον χρόνο σ όλο το δίκτυο (3) Αυτό οργανώνεται για να συγχρονίσει το δίκτυο Περιγραφή Οι κόμβοι συγχρονίζονται μέσω διαθέσιμων διακοσμητών που πρέπει να έχουν υψηλή αντοχή και μεγάλη ακρίβεια. Ο χρόνος μεταφράζεται από αναπήδηση σε αναπήδηση, από την πηγή ως τον δέκτη. Το πρωτόκολλό δεν εξαρτάται από ειδικούς διακοσμητές. Αυτόματα οργανώνει και καθορίζει τους κύριους κόμβους σαν προσωρινούς διακοσμητές χρόνου. Μερικά παραδείγματα των τεχνικών είναι το Πρωτόκολλο Χρόνου Δικτύου (NTP: Network Time Protocol), ο Συγχρονισμός Εκπομπής Αναφοράς(RBS: Reference Broadcast Synchronization) και το Πρωτόκολλο Συγχρονισμού Διανομής Χρόνου (TDP: Time Diffusion Synchronization Protocol). NTP: Πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται στο διαδίκτυο για να κρατάει εντός ορίων την συχνότητα του ταλαντωτή σε κάθε κόμβο. Η σύνδεση όμως στους διακοσμητές χρονισμού μπορεί να μην είναι

30 Page 30 εφικτή λόγω συχνών λειτουργικών προβλημάτων στους κόμβους. Επιπλέον, η πειθάρχηση όλων των κόμβων μπορεί να μην είναι εφικτή λόγω των παρεμβολών από το περιβάλλον και των πολλών εναλλαγών καθυστέρησης μεταξύ διαφορετικών σημείων του δικτύου. Οι παρεμβολές μπορούν προσωρινά να χωρίσουν το δίκτυο σε μικρότερα δίκτυα δημιουργώντας απειθαρχία στο ρολόι κάθε δικτύου. Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο εντάσσεται στον τύπο (1) των τεχνικών χρονισμού. RBS: Είναι παράδειγμα του τύπου (2) των τεχνικών χρονισμού. Παρέχει στιγμιαίο συγχρονισμό μεταξύ της ομάδας δεκτών που είναι εντός της εμβέλειας εκπομπής του πομπού. Ο πομπός στέλνει m πακέτα αναφοράς. Κάθε δέκτης καταγράφει τον χρόνο άφιξης (time of arrival) του κάθε πακέτου αναφοράς και μετά επικοινωνούν μεταξύ τους για να καθοριστούν τα όφσετ. Για να υπάρχει συγχρονισμός σε πολλαπλές αναπηδήσεις, προτείνεται η χρήση κόμβων που λαμβάνουν δυο ή και περισσότερες εκπομπές αναφοράς από διαφορετικούς πομπούς (γνωστοί ως κόμβοι μετάφρασης). Οι κόμβοι αυτοί μεταφράζουν τον χρόνο μεταξύ διαφορετικών περιοχών εκπομπής (Εικόνα 2.12). TDP: Διατηρεί τον χρόνο σε ολόκληρο το δίκτυο με κάποια ανοχή. Επιλέγει αυτόματα τους κύριους κόμβους που θα συγχρονίσουν Εικόνα 2.12 RBS (A.F.) το δίκτυο. Η διαδικασία επιλογής επηρεάζεται από τις ενεργειακές απαιτήσεις και την ποιότητα των ρολογιών. Ακόμη και σε αφύλακτη περιοχή, το TDM μπορεί να συγχρονίσει το δίκτυο με κάποια κοινή ώρα. Θεωρείται ως τύπος (3).

31 Page 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IΙΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΑΠΟΔΟΤΙΚΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ 3.1 Πρώτη Επαφή Τα αυτό οργάνωτα WSN έχουν προσελκύσει αρκετό ενδιαφέρον λόγω των δυνατοτήτων τους να υλοποιήσουν σημαντικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, η εφαρμογή Smart Dust έχει ως στόχο την ενσωμάτωση υπολογιστικών και ασύρματων δυνατοτήτων με αισθητήρια εγκατεστημένα σε μικρές συσκευές μικρού κόστους και ικανότητας παραγωγοί σε μεγάλες ποσότητες. Επειδή οι κόμβοι λειτουργούν με μπαταρίες, δουλεύουν με αυστηρές ενεργειακές προδιαγραφές αλλά και με την ικανότητα να δουλεύουν για μήνες ή και χρόνια. Σε ορισμένες περιπτώσεις το δίκτυο λειτουργεί εξολοκλήρου από ενέργεια που παίρνει από το περιβάλλον (π.χ. σεισμικοί, φωτοβολταϊκοί ή θερμικοί μετατροπείς. Γενικά, η βελτιστοποίηση της ενέργειας στα WSN για αύξηση της ζωής του κόμβου είναι πολύ πιο πολύπλοκη διαδικασία απ ότι σε συμβατικές τεχνικές. Η ζωή του δικτύου αυξάνεται μόνο αν κάθε στάδιο σχεδίασης του βασίζεται σε ενεργειακά αποδοτικές μεθόδους και μόνο τότε μπορούν να αξιοποιηθούν στο μέγιστο οι δυνατότητες του. Μια εφαρμογή που αντιπροσωπεύει τα WSN είναι η ανίχνευση γεγονότων που έχει ευρεία χρήση όπως είναι η επιτήρηση ασφάλειας και η παρακολούθηση βιότοπου άγριας ζωής. Για την ανίχνευση χρειάζεται η συνεργασία μεταξύ των αισθητήρων και την εκτέλεση πολύπλοκων αλγορίθμων για την επεξεργασία σημάτων. Τέτοιοι αλγόριθμοι είναι: Kalman Filtering: αποδοτικά επαναλαμβανόμενο φίλτρο που υπολογίζει την κατάσταση ενός γραμμικά δυναμικού συστήματος από μία σειρά μετρήσεων θορύβου. Bayesian Data Fusion: η Μπεϋζιανή πιθανότητα ερμηνεύει την έννοια της πιθανότητας ως μέτρο κατάστασης γνώσης και όχι ως συχνότητας. Coherent Beamforming: τεχνική επεξεργασίας σήματος που χρησιμοποιείται σε σειρές αισθητήρων για κατευθυνόμενη μετάδοση ή λήψη σημάτων. 3.2 Πού πάει η ενέργεια; Το πρώτο βήμα στην σχεδίαση ενεργειακά αποδοτικού συστήματος με αισθητήρες έχει να κάνει με τον διαχωρισμό των ενεργειακών χαρακτηριστικών. Η συστηματική ανάλυση της ισχύος ενός κόμβου είναι σημαντική για την εύρεση των σημείων αύξησης της ισχύος (φαινόμενο bottleneck) και η γρήγορη βελτιστοποίηση τους. Η αρχιτεκτονική ενός κανονικού κόμβου είναι αυτή της Εικόνας 3.1. Εικόνα 3.1 Αρχιτεκτονική Κόμβου (A.F.)

32 Page 32 Αποτελείται από τέσσερα υποσυστήματα, i. Υπολογισμών: αποτελείται από ένα μικροεπεξεργαστή ή μικροελεγκτή. ii. Επικοινωνιών: αποτελείται από ένα ραδιοπομπό μικρής εμβέλειας. iii. Αισθητήρων: συνδέει τον κόμβο με τον φυσικό κόσμο. iv. Τροφοδοσίας: αποτελείται από μια μπαταρία και ένα μετατροπέα DC DC Μονάδα Μικροελεγκτή (MCU: MicroController Unit) Ο MCU είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο των αισθητήρων και την εκτέλεση των πρωτόκολλων επικοινωνίας και των αλγόριθμων επεξεργασίας του σήματος. Η επιλογή του MCU καθορίζεται από τα απαιτούμενα επίπεδα απόδοσης και ενεργειακής κατανάλωσης. Παράδειγμα κοινών MCU είναι ο μικροεπεξεργαστής StrongARM της Intel και ο μικροελεγκτής AVR της Atmel (Εικόνα 3.2). Ο StrongARM καταναλώνει περίπου 400mW κατά την εκτέλεση εντολών και ο ATmega103L AVR, μόνο 16,5mW αλλά έχει μικρότερη απόδοση. Οι MCU υποστηρίζουν συνήθως διάφορες καταστάσεις λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένου των: Ενεργός (Active), Αδράνειας (Idle)και Ύπνου (Sleep). Κάθε κατάσταση χαρακτηρίζεται από διαφορετική κατανάλωση ισχύος. Για παράδειγμα ο StrongARM καταναλώνει 50mW σε κατάσταση Idle και μόνο 0.16mW σε Sleep. Πρέπει όμως να λαμβάνεται υπόψη και η κατανάλωση κατά την μεταβίβαση κατάστασης και ο επιπρόσθετος χρόνος καθυστέρησης. Εικόνα 3.2 AVR MCU (G.I.) Ράδιο Η κατανάλωση από τις ραδιοεπικοινωνίες επηρεάζεται από παράγοντες όπως το σχήμα διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται, τον ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων, την ισχύς εκπομπής και τον κύκλο ενεργής κατάστασης. Γενικά λειτουργούν σε τέσσερις καταστάσεις: Εκπομπή (Transmit), Λήψη (Receive), Αδράνεια (Idle) και Ύπνος (Sleep). Μια σημαντική παρατήρηση είναι ότι στις περισσότερες περιπτώσεις που η κατάσταση είναι Idle, η κατανάλωση ισχύος είναι αρκετά ψιλή, ίση σχεδόν μ αυτήν που καταναλώνεται στην κατάσταση Λήψης. Οπότε είναι σημαντικό να απενεργοποιείται εντελώς το ράδιο αντί να μπαίνει σε κατάσταση Idle. Ακόμη ένας σημαντικός παράγοντας είναι ότι κατά τις εναλλαγές κατάστασης η κατανάλωση από τα ηλεκτρονικά μέρη του ραδίου είναι αρκετή (π.χ. εκκίνηση του ραδίου) Αισθητήρες Οι μετατροπείς αισθητήρων μεταφράζουν τα φυσικά φαινόμενα σε ηλεκτρικά σήματα και αναλόγως της εξόδους τους ταξινομούνται ως αναλογικές ή ψηφιακές συσκευές. Υπάρχει ποικιλία αισθητήρων που μετρούν περιβαλλοντικές παραμέτρους όπως θερμοκρασία, ένταση φωτός, ήχο, μαγνητικά πεδία, εικόνα κτλ. Σε έναν αισθητήρα υπάρχουν διάφορες πηγές κατανάλωσης ισχύος, όπως: (i) δειγματοληψία σήματος και μετατροπή φυσικών σημάτων σε ηλεκτρικά, (ii) βελτίωση σήματος και (iii) η μετατροπή από αναλογική σε ψηφιακή. Γενικά οι παθητικοί αισθητήρες (π.χ. θερμοκρασίας, σεισμικοί κτλ) καταναλώνουν αμελητέα ενέργεια σε σχέση με τα υπόλοιπα μέρη του κόμβου. Εντούτοις, ενεργοί αισθητήρες όπως το σόναρ,

33 Page 33 αισθητήρες γραμμών (π.χ. εικόνας) και αισθητήρες στενού οπτικού πεδίου που απαιτούν μετατοπίσεις (π.χ. κινητές φωτογραφικές μηχανές με ζουμ pan tilt zoom: δεξιά αριστερά, πάνω κάτω, μεγέθυνση) μπορούν να είναι μεγάλοι καταναλωτές ισχύος. Μια σημαντική πηγή κατανάλωσης ισχύος στον αισθητήρα είναι ο μετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα (ADC: Analog to Digital Converter). Η κατανάλωση ισχύος εδώ αφορά την ταχύτητα μετατροπής και την ανάλυση του ADC. Έχει αποδειχθεί ότι υπάρχει ένα θεμελιώδες όριο μεταξύ ταχύτητας ανάλυσης ανά μονάδα κατανάλωσης ισχύος και ότι τα τελευταίας τεχνολογίας ADC έχουν φτάσει σχεδόν αυτό το όριο. Για παράδειγμα, οι σεισμικοί αισθητήρες χρησιμοποιούν συχνά μετατροπείς 24 bit που λειτουργούν σε ρυθμό μετατροπής έως και χιλιάδων δειγμάτων/δευτερόλεπτο. Αυτό οδηγεί σε ένα προϊόν υψηλής ταχύτητας ανάλυσης, επομένως και σε μεγάλη κατανάλωση ισχύος Ανάλυση Ισχύος Στους Κόμβους Ο πιο κάτω πίνακας δίνει τα χαρακτηριστικά κατανάλωσης ισχύος σε ένα κόμβο υψηλού επιπέδου Rockwell WINS: Κατάσταση MCU Κατάσταση Αισθητήρα Κατάσταση Ραδίου Ισχύς (mw) Active On Tx (Ισχύς: 36.3 mw) Active On Tx (Ισχύς: 19.1 mw) Active On Tx (Ισχύς: 13.8 mw) Active On Tx (Ισχύς: 3.47 mw) Active On Tx (Ισχύς: 2.51 mw) Active On Tx (Ισχύς: 0.96 mw) Active On Tx (Ισχύς: 0.30 mw) Active On Tx (Ισχύς: 0.12 mw) Active On Rx Active On Idle Active On Sleep Active On Αφαιρέθηκε Sleep On Αφαιρέθηκε 64.0 Active Αφαιρέθηκε Αφαιρέθηκε 360.0

34 Page 34 Στον επόμενο πίνακας είναι τα χαρακτηριστικά ενός πειραματικού κόμβου που αναπτύχτηκε στο UCLA (University of California, Los Angles), ο Medusa II: Κατάσταση MCU Κατ. Αισθητήρα Κατ. Ραδίου Ρυθμός Δεδομένων Ισχύς (mw) Active On Tx ( mw) 2.4 kbps Active On Tx ( mw) 2.4 kbps Active On Tx ( mw) 19.2 kbps Active On Tx ( mw) 19.2 kbps Active On Tx ( mw) 2.4 kbps Active On Tx ( mw) 2.4 kbps Active On Tx ( mw) 19.2 kbps Active On Tx ( mw) 19.2 kbps Active On Rx Any Active On Idle Any Active On Off Any 9.72 Idle On Off Any 5.92 Sleep Off Off Any 0.02 Rockwell WINS: Εξοπλισμένος με ένα ισχυρό επεξεργαστή StrongARM sa 1100 της Intel, μια συσκευή ραδίου από τα Συστήματα Conexant και διάφορους αισθητήρες, συμπεριλαμβανομένων ακουστικών και σεισμικών. MEDUSA: Σχεδιασμένος για πολύ χαμηλή ισχύ (παρόμοιος με τους κόμβους COTS που αναπτύσσονται στους SmartDust). Είναι εξοπλισμένο με έναν μικροελεγκτή AVR της ATMEL, μια RFM ράδιοσυσκευή και μερικούς αισθητήρες. Από τους δυο πίνακες φαίνονται οι διαφορές σε ισχύ μεταξύ των δύο κόμβων (Εικόνα 3.3). Τα συμπεράσματα είναι: Αν κατά τη διάρκεια σχεδιασμού των κόμβων χρησιμοποιηθούν συσκευές χαμηλής ισχύος και ανταλλαγής περιττής απόδοσης με αποθήκευση ισχύος, μπορεί να υπάρξει σημαντική επίδραση στο κέρδος ισχύος. Η κατανάλωση ισχύος στους κόμβους εξαρτάται από τις καταστάσεις λειτουργίας των συσκευών. Για παράδειγμα, ο WINS καταναλώνει περίπου το ένα έκτο της ισχύς απ ότι ο MCU σε λειτουργία Sleep. Λόγω των εξαιρετικά μικρών αποστάσεων μετάδοσης, η ενέργεια που καταναλώνεται κατά την λήψη δεδομένων μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που καταναλώνεται κατά την εκπομπή. Στην Εικόνα 3.4 φαίνεται η κατανάλωση ισχύος από ένα ράδιο RFM σε κατάσταση Λήψης, καθώς επίσης Εικόνα 3.3 Κόμβοι WINS & Medusa (G.I.) Εικόνα 3.4 Κατανάλωση RFM (1 +A.F.)

35 Page 35 και σε διάφορες καταστάσεις Εκπομπής συναρτήσει του επιπέδου ισχύος εξόδου. Κατά συνέπεια τα συμβατικά πρωτόκολλα δικτύων που συνήθως θεωρούν την λαμβανόμενη ισχύ αμελητέα, δεν είναι αποδοτικά για τα δίκτυα αισθητήρων. Η ενέργεια που καταναλώνεται από ένα κόμβο με το ράδιο σε κατάσταση Idle, είναι περίπου η ίδια με αν ήταν σε κατάσταση Receive. Δηλαδή, δεν υπάρχει όφελος σε ισχύ αν είναι σε κατάσταση Idle. Διάφορα πρωτόκολλα δικτύων έχουν αγνοήσει το γεγονός αυτό, οδηγώντας σε εσφαλμένες αποθηκεύσεις ισχύος. Επομένως είναι καλύτερα το ράδιο να απενεργοποιείται εντελώς Θέματα Μπαταρίας Η μπαταρία παρέχει ισχύ σ όλο τον κόμβο και ως εκ τούτου διαδραματίζει ρόλο ζωτικής σημασίας στον καθορισμό της διάρκειας ζωής του. Οι μπαταρίες είναι σύνθετες συσκευές των οποίων η λειτουργία εξαρτάται από παράγοντες όπως η διάσταση τους, το υλικό ηλεκτροδίου που χρησιμοποιούν και το ποσοστό διάχυσης των ενεργών υλικών στον ηλεκτρολύτη. Επιπλέον, μπορούν να υπάρξουν διάφορα προβλήματα σε μια μπαταρία λόγω μη ιδανικών υλικών, τα οποία θα έχουν και επιπτώσεις στη διάρκεια ζωής του συστήματος. Παρακάτω περιγράφονται τα διάφορα προβλήματα και προσεγγίσεις στον σχεδιασμό των επιπέδων του συστήματος που θα παρατείνουν την διάρκεια ζωής των μπαταριών. Φαινόμενο Εκτιμημένης Χωρητικότητας Ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει την διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι το ποσό ρεύματος που προέρχεται από την μπαταρία. Σε κάθε μπαταρία εκτιμάτε η χωρητικότητα ρεύματος κατά την κατασκευή της. Ζήτηση περισσότερου ρεύματος από αυτό που εκτιμήθηκε, οδηγεί σε σημαντική μείωση της ζωής της αφού ο ρυθμός στον οποίο τα ενεργά συστατικά εκφορτίζονται μέσω του ηλεκτρολύτη καθυστερεί σε σχέση με το ποσοστό στο οποίο καταναλώνονται στα ηλεκτρόδια. Εάν το υψηλό ποσοστό εκφόρτωσης κρατήσει αρκετό χρόνο, τα ηλεκτρόδια θα ξεμείνουν από ενεργά υλικά και ακόμη κι αν υπάρχουν ακόμη ενεργά συστατικά στον ηλεκτρολύτη, η μπαταρία καταστρέφεται. Για να αποφευχθεί αυτό, το ποσό ρεύματος που προέρχεται από την μπαταρία πρέπει να ελέγχεται συνεχώς. Δυστυχώς, αναλόγως του τύπου της μπαταρίας (Lithium Ion, NiMH, NiCd, Alkaline, κ.λπ.), οι ανάγκες ρεύματος στους κόμβους συχνά υπερβαίνει την εκτιμημένη χωρητικότητα ρεύματος, μειώνοντας την διάρκεια ζωής της. Φαινόμενο ξεκούρασης Η επίδραση των υψηλών ρυθμών εκφόρτωσης μπορεί να μετριαστεί ως ένα σημείο ξεκουράζοντας την μπαταρία. Εάν το ρεύμα εκφόρτωσης από την μπαταρία κόβεται ή μειώνεται, το ποσοστό διάχυσης και μεταφοράς ενεργών υλικών προλαμβάνει τη μείωση που προκαλείται από την εκφόρτωση. Αυτό ονομάζεται φαινόμενο χαλάρωσης και επιτρέπει στην μπαταρία να ανακτήσει μέρος της χαμένης χωρητικότητας της Μετατροπέας DC DC Αυτός ο μετατροπέας είναι υπεύθυνος για την παροχή σταθερής τάσης στον υπόλοιπο κόμβο, εκμεταλλευόμενος την πλήρη ικανότητα της μπαταρία. Ο παράγοντας της απόδοσης που συνδέεται με το μετατροπέα διαδραματίζει μεγάλο ρόλο στον καθορισμό της διάρκειας ζωής της μπαταρίας. Χαμηλός παράγοντας απόδοσης, οδηγεί σε σημαντική απώλεια ενέργειας στο μετατροπέα, μειώνοντας το ποσό

36 Page 36 διαθέσιμης ενέργειας σε άλλα τμήματα του κόμβου. Επίσης, το επίπεδο τάσης κατά μήκος της μπαταρίας μειώνεται συνεχώς καθώς εκφορτώνεται. Επομένως ο μετατροπέας παίρνει αυξανόμενα ποσά ρεύματος από την μπαταρία για να διατηρήσει σταθερή παροχή τάσης στον κόμβο. Κατά συνέπεια, το ρεύμα από την μπαταρία γίνεται σταδιακά υψηλότερο από το ρεύμα που παρέχεται πραγματικά στο υπόλοιπο του κόμβου. Αυτό μειώνει την ζωή της μπαταρίας λόγω του φαινομένου εκτιμημένης χωρητικότητας. H Εικόνα 3.5 παρουσιάζει την διαφορά μεταξύ του ρεύματος που προέρχεται από την μπαταρία και εκείνου που παραδίδεται στον κόμβο. Η μπαταρία είναι Lithium Ion. Εικόνα 3.5 Διαφορά Ρεύματος (1+A.F.) 3.3 Βελτιστοποίηση Ενεργειακών Επιπέδων Κόμβου Έχοντας μελετήσει τα χαρακτηριστικά γύρω από την ισχύ, το επόμενο βήμα είναι η ελαχιστοποίηση της ισχύς που καταναλώνεται από τους κόμβους. Προκειμένου να ενσωματωθεί ενεργειακή ευσυνειδησία στο δίκτυο, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν αρχικά κατάλληλες μεθοδολογίες σχεδίασης υλισμικού/λογισμικού και αρχιτεκτονικών συστημάτων. Επίσης χρειάζεται να είναι εφικτή η λειτουργία μεμονωμένων κόμβων στο δίκτυο Επεξεργασία Η πρόοδος στην σχεδίαση κυκλωμάτων έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη μικροεπεξεργαστών και μικροελεγκτών πολύ χαμηλής ισχύος. H χρήση της δυναμικής διαχείρισης ισχύς (DPM: Dynamic Power Management) μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας ακόμη περισσότερο. Ένα κοινό σχέδιο διαχείρισης της ισχύς βασίζεται στην απενεργοποίηση ή την αλλαγή κατάστασης του κόμβου (ή μέρους του). Το θεμελιώδες ζήτημα στην DPM που βασίζεται στην απενεργοποίηση (σβήνοντας τα μέρη που είναι σε κατάσταση Idle) είναι να αποφασιστεί η πολιτική μεταβίβασης κατάστασης, δεδομένου ότι οι διαφορές καταστάσεις χαρακτηρίζονται από διαφορετικά ποσά κατανάλωσης ισχύος και η μεταβίβαση μεταξύ τους καταναλώνει αρκετή ισχύ και χρόνο. Στην ενεργή κατάσταση μπορεί να εξοικονομηθεί και άλλη ενέργεια χρησιμοποιώντας δυναμική διαβάθμιση τάσης (DVS: Dynamic Voltage Scaling). Τα περισσότερα συστήματα με μικροεπεξεργαστές έχουν διάφορους χρόνους επεξεργασίας οπότε δεν απαιτείται πάντα η μέγιστη απόδοση. Η DVS εκμεταλλεύεται αυτό το γεγονός προσαρμόζοντας δυναμικά την τάση τροφοδοσίας του επεξεργαστή και την συχνότητα λειτουργίας αναλόγως των απαιτήσεων. Εχει αποδειχθεί πως έχει αρκετά υψηλότερη ενεργειακή απόδοση αντί της τεχνικής απενεργοποίηση. Σύγχρονοι επεξεργαστές που υποστηρίζουν την διαβάθμιση της τάσης και της συχνότητας είναι ο StrongARM της Intel και ο Crusoe της Transmeta (Εικόνα 3.6). Εικόνα 3.6 Crusoe CPU (G.I.)

37 Page Λογισμικό Το πλεονέκτημα ευελιξίας στα συστήματα με μικροεπεξεργαστή και DSP, οδήγησε στην αυξανόμενη χρήση προγραμματισμού για την σχεδίαση ενός συστήματος. Η διάρκεια ζωής δικτύων αισθητήρων μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά αν το λογισμικό του συστήματος σχεδιάζεται βάση ενεργειακής ευσυνειδησίας. Το λειτουργικό σύστημα (ΛΣ) είναι ιδανικό για εφαρμογή πολιτικών διαχείρισης ενέργειας βασιζόμενων σε απενεργοποιήσεις και DVS, αφού έχει σφαιρική γνώση των απαιτήσεων απόδοσης και ακρίβειας των εφαρμογών και μπορεί να ελέγξει άμεσα τους πόρους και τα διαθέσιμα μέσα ελέγχου απόδοσης ενέργειας. Στον πυρήνα του ΛΣ είναι ένας προγραμματιστής εργασιών οπότε η διάρκεια ζωής του συστήματος μπορεί να αυξηθεί ενσωματώνοντας ενεργειακή ευσυνειδησία στην διαδικασία προγραμματισμού εργασιών. Για παράδειγμα, ένας τέτοιος αλγόριθμος μπορεί να βασίζεται σε δυο παρατηρήσεις. Η πρώτη παρατήρηση είναι ότι αυτά τα συστήματα σχεδιάζονται να λειτουργούν με ελαστικότητα σε περιπτώσεις μη σταθερής ακρίβειας λόγω απωλειών δεδομένων και σφαλμάτων στις ασύρματες συνδέσεις. Αυτή η δυνατότητα προσαρμογής στη μεταβαλλόμενη ακρίβεια χρησιμοποιείται για εξοικονόμηση ενέργεια. Η δεύτερη είναι ότι αυτά τα συστήματα επιδεικνύουν σημαντικές συσχετιζόμενες παραλλαγές φόρτου επεξεργασίας υπολογισμών και επικοινωνίας λόγω των χρονικά μεταβαλλόμενων φυσικών φαινομένων. Η τάση ρυθμίζεται σύμφωνα με τις επεξεργαστικές απαιτήσεις των εργασιών που έχουν προβλεφθεί και με ελεγχόμενη ανατροφοδότηση, κρατάει την ακρίβεια του συστήματος (παραβιάσεις συγχρονισμού) εντός των προδιαγραφών. Η ανταλλαγή ενέργειας ακρίβειας μπορεί να αξιοποιηθεί περισσότερο αν σχεδιαστεί το επίπεδο εφαρμογής να είναι ενεργειακά διαβαθμιζόμενο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με έλεγχο των προγραμμάτων εφαρμογών έτσι ώστε να εκτελούνται πρώτα οι σημαντικότεροι υπολογισμοί. Κατά συνέπεια, διακόπτοντας τον αλγόριθμο πρόωρα λόγω ενεργειακών περιορισμών δεν θα έχει μεγάλη επίπτωση στο αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, μια εφαρμογή εντοπισμού στόχων περιλαμβάνει την εκτενή χρήση αλγορίθμων φιλτραρίσματος σημάτων (π.χ. φιλτράρισμα Kalman). Μετασχηματίζοντας τους αλγορίθμους φιλτραρίσματος ώστε να είναι ενεργειακά διαβαθμιζόμενοι, ανταλλάσσεται υπολογιστική ακρίβεια (δηλ. ακρίβεια εντοπισμού) με εξοικονόμηση ενέργειας Διαχείριση Ισχύος Ραδίου Στην διαχείριση ισχύος στους ενσωματωμένους επεξεργαστές δεν έχει μελετηθεί εκτενώς η ενσωμάτωση ενεργειακής ευσυνειδησίας στα υποσυστήματα ραδίου. Η διαχείριση της ισχύς των ράδιων είναι εξαιρετικά σημαντική, δεδομένου ότι η ασύρματη επικοινωνία είναι σημαντικός καταναλωτής ισχύς. Η σημασία αυτού του προβλήματος φαίνεται από την αναλογία της ενέργειας που ξοδεύεται στην αποστολή ενός bit ως προς την ενέργεια που ξοδεύεται στην εκτέλεση μιας εντολής. Για παράδειγμα, οι τιμές είναι από 1500 έως 2700 για κόμβους WINS του Rockwell, 220 έως 2900 για τους MEDUSA ΙΙ και περίπου 1400 για τους WINS NG 2.0 της εταιρίας Sensoria. Η ενέργεια που καταναλώνεται από ένα ράδιο έχει δύο κύρια τμήματα: το τμήμα RF που εξαρτάται από την απόσταση μετάδοσης και την διαμόρφωση, και το δεύτερο είναι ένα ηλεκτρονικό τμήμα που ευθύνεται για την ισχύ που καταναλώνει το κύκλωμα σύνθεσης συχνότητας, φιλτραρίσματος, μετατροπής προς τα πάνω κ.λπ. Τεχνικές όπως η δυναμική τάση και η διαβάθμιση της συχνότητας μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας στους επεξεργαστές με κόστος όμως την αύξηση σε λάθος υπολογισμούς. Εντούτοις, η ισχύς στα ηλεκτρονικά μπορεί να είναι συγκρίσιμη με εκείνη στο τμήμα RF

38 Page 38 (που ποικίλλει με την απόσταση μετάδοσης). Επομένως, η επιβράδυνση του ραδίου μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας Προώθηση Πακέτων Ένας κόμβος, εκτός από τα αισθητήρια και την αποστολή των δεδομένων του σε άλλους κόμβους, λειτουργεί επίσης ως δρομολογητής, προωθώντας πακέτα που προορίζονται για άλλους κόμβους. Σε ένα τυπικό δίκτυο, μια μεγάλη μερίδα (περίπου 65%) των πακέτων που παραλαμβάνονται από έναν κόμβο πρέπει να προωθηθούν. Κάθε πακέτο που λαμβάνεται, ανεξαρτήτως τελικού προορισμό, περνάει όμως και από το υποσύστημα υπολογισμών όπου και επεξεργάζεται, με αποτέλεσμα την επιπρόσθετη κατανάλωσης ενέργειας. Η χρήση ευφυούς ραδίου (Εικόνα 3.7) επιτρέπει την ταυτοποίηση των πακέτων που πρέπει να προωθηθούν και τον έλεγχο τους από το υποσύστημα επικοινωνιών, επιτρέποντας έτσι στο υποσύστημα υπολογισμών να παραμείνει στην κατάσταση Sleep. Εικόνα 3.7 Προώθηση Πακέτων (A.F.) 3.4 Ασύρματη Επικοινωνία Η ασύρματη εκπομπή δεδομένων αποτελεί σημαντικό μέρος στην συνολική κατανάλωση της ενέργειας. Έτσι οι αποφάσεις διαχείρισης της ισχύς, που λαμβάνουν υπόψη και την επίδραση της επικοινωνίας μεταξύ κόμβων, δίνουν αρκετά υψηλότερα επίπεδα αποθηκευμένης ενέργειας. Ακόμη, η διαχείριση της ισχύς στη διαδικασία επικοινωνίας επιτρέπει τη διάχυση ενεργειακής ευσυνειδησίας από έναν μεμονωμένο κόμβο σε ομάδα κόμβων, ενισχύοντας έτσι την διάρκεια ζωής ολόκληρων περιοχών του δικτύου. Για την επιτυχή επικοινωνία με ενεργειακή ευσυνειδησία είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν και να χρησιμοποιηθούν τα διάφορα μέσα στο υποσύστημα επικοινωνίας Σχήματα Διαμόρφωσης Εκτός από το υλικό, η τεχνολογία του ραδίου που χρησιμοποιείται στην ασύρματη σύνδεση μεταξύ κόμβων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις ενεργειακές εκτιμήσεις. Η επιλογή του σχήματος διαμόρφωσης επηρεάζει την ανταλλαγή της γενικής ενέργειας με αξιοπιστία& καθυστέρηση.

39 Page 39 Η εξίσωση: E bit = E start /L + (P elec + P RF (M)) / (R s x log 2 M)(1 + H/L) εκφράζει το ενεργειακό κόστος εκπομπής ενός bit πληροφορίας, συναρτήσει του μεγέθους του πακέτου (L), του μεγέθους της πληροφορίας που προπορεύεται (header) του πακέτου (Η), της σταθερής επιπρόσθετης ενέργειας (E start ) που σχετίζεται με το μεταβατικό στάδιο έναρξης του ραδίου και ο ρυθμός συμβόλων (R s ) για σχήμα διαμόρφωσης M ary. Το P elec αντιπροσωπεύει την κατανάλωση της ισχύος στα ηλεκτρονικά κυκλώματα σύνθεσης συχνότητας, φιλτραρίσματος, διαμόρφωσης, μετατροπής προς τα πάνω κτλ. Η ισχύς που δίνεται από τον ενισχυτή ισχύος (P RF ) πρέπει να αυξάνεται καθώς αυξάνεται το Μ προκειμένου να διατηρηθεί το ποσοστό σφάλματος. H Εικόνα 3.8 δείχνει την ενέργεια επικοινωνίας ανά bit συναρτήσει του μεγέθους του πακέτου και του επιπέδου διαμόρφωσης Μ. Αυτή η καμπύλη λήφθηκε χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους του πιο κάτω πίνακα, οι οποίες είναι αντιπροσωπευτικές των WSN (έχει επιλεχθεί Διαμόρφωση Εύρους Τετραγωνισμού QAM: Quadrature Amplitude Modulation). E start P elec P RF R S H 1μJ 12mW 1mW για 4 QAM 1 Mbaud 16 bits Εικόνα 3.8 Ενέργεια Κατανάλωσης / Bit (1 + Α.F.) Οι δείκτες στην Εικόνα 3.8 δείχνουν τη βέλτιστη διαμόρφωση για κάθε μέγεθος πακέτου. Στην πραγματικότητα αυτό το βέλτιστο επίπεδο διαμόρφωσης είναι σχετικά ψηλό. Βάση των τιμών του πίνακα είναι κοντά στα 16 QAM. Για υψηλότερα επίπεδα διαμόρφωσης δεν θα είναι τόσο εφικτή η εφαρμογή. Εντούτοις, εάν απαιτούνται υψηλότερα επίπεδα διαμόρφωσης από τον βέλτιστο λόγο ρυθμαπόδοσης, είναι δυνατό να μειωθεί η γενική κατανάλωσης ενέργειας μεταβάλλοντας το επίπεδο διαμόρφωσης. Όταν το στιγμιαίο φορτίο κυκλοφορίας είναι χαμηλότερο από την μέγιστη τιμή, οι μεταδόσεις μπορούν να επιβραδυνθούν μέχρι το βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Αυτή η τεχνική δυναμικής προσαρμογής του επιπέδου διαμόρφωσης για να ταιριάξει με το στιγμιαίο φορτίο κυκλοφορίας ονομάζεται Διαβάθμιση Διαμόρφωσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η δυναμική Διαβάθμιση Διαμόρφωσης, είναι το αντίστοιχο της δυναμικής Διαβάθμισης Τάσης που είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στη διαχείριση της ισχύος στους επεξεργαστές. Αφού το κόστος έναρξης είναι σημαντικό στις περισσότερες ράδιο αρχιτεκτονικές, μπορούν να χρησιμοποιούνται μεγάλα πακέτα αφού αποσβήνεται έτσι το επιπρόσθετο κόστος σε bits. Η πρόσθεση όμως περισσότερων δεδομένων σε ένα πακέτο έχει το μειονέκτημα αύξησης και των σφαλμάτων. Μέχρι τώρα έχουν μελετηθεί συνδέσεις μεταξύ δύο κόμβων σε μικρές αποστάσεις. Όταν όμως αλληλεπιδρούν εξωτερικοί χρήστες χρειάζονται εξειδικευμένοι κόμβοι (πύλες) που θα βοηθούν στην επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις. Εδώ η P RF είναι σημαντικότερη της P elec και το βέλτιστο Μ μετατοπίζεται στη χαμηλότερη τιμή, καθιστώντας έτσι συμφέρουσα την αργή μετάδοση. Η Διαβάθμιση Διαμόρφωσης είναι σαφώς αποτελεσματική με αυτή την μέθοδο.

40 Page Συντονισμένη Διαχείριση Ισχύς Στο επίπεδο κόμβων, οι τεχνικές διαχείρισης ισχύς όπως DVS και Διαβάθμιση Διαμόρφωσης μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας με κόστος την αύξηση των σφαλμάτων. Αφού τα υποσυστήματα υπολογισμών και επικοινωνίας συνεισφέρουν στον συνολικό αποδεκτό αριθμό σφαλμάτων, η εκμετάλλευση της συνεργασίας μεταξύ τους για συντονισμένη διαχείρισης ισχύς θα οδηγήσει στην μείωση κατανάλωσης της ενέργειας. Για παράδειγμα, ο διαχωρισμός των σφαλμάτων κατάστασης για την δυναμική Διαβάθμιση της Τάσης και της Διαμόρφωσης, επενεργεί σημαντικά στην ήδη αποθηκευμένη ενέργεια. H Εικόνα 3.9 παρουσιάζει μια μονάδα συστήματος διαχείρισης ισχύος. Είναι ενσωματωμένη στο Λ.Σ. και εκτελεί συντονισμένη διαχείριση της ισχύος στα υποσυστήματα υπολογισμών, επικοινωνίας και αισθητήρων. Η ανταλλαγή μεταξύ των υπολογισμών και επικοινωνίας φαίνεται λόγω της διανεμημένης φύσης των δικτύων αισθητήρων. Η έμφυτη ικανότητα του δικτύου για παράλληλη επεξεργασία προσφέρει την περαιτέρω δυνατότητα ενεργειακής βελτιστοποίησης. Διανέμοντας τους υπολογισμούς ενός αλγορίθμου μεταξύ πολλαπλών κόμβων, επιτρέπει την παράλληλη εκτέλεση υπολογισμών. Η αυξανόμενα επιτρεπόμενη εσφαλμένη κατάσταση ανά υπολογισμό επιτρέπει τη χρήση διαβάθμισης της τάσης (ή άλλες τεχνικές ανταλλαγής μεταξύ ενέργειας και εσφαλμένης κατάστασης). Οι αλγόριθμοι διανεμημένου υπολογισμού όμως απαιτούν περισσότερη συνεργασία εντός των κόμβων. Εικόνα 3.9 Μον. Διαχείρισης Ισχύος (A.F.) Βελτιστοποιήσεις Πρωτοκόλλων Δικτύου Χαμηλού Επιπέδου Ερευνώντας τις πιθανές ανταλλαγές μεταξύ ενέργειας απόδοσης ποιότητας, πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι περιορισμοί της αξιοπιστίας που συσχετίζεται με την αλληλεπίδραση των απωλειών σε πακέτα επικοινωνίας και συμπίεσης δεδομένων. Οι αποφάσεις αξιοπιστίας λαμβάνονται συνήθως στο επίπεδο συνδέσεων το οποίο είναι αρμόδιο για την ανίχνευση και διόρθωση των σφαλμάτων. Έχουν προταθεί προσαρμοστικά σχέδια διόρθωσης σφαλμάτων για να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας, διατηρώντας ταυτόχρονα τις προδιαγραφές του χρήστη για τον ρυθμό σφαλμάτων σε bit (BER). Οι τεχνικές στο επίπεδο συνδέσεων διαδραματίζουν και ένα έμμεσο ρόλο στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Η χρήση ενός καλού σχεδίου ελέγχου σφαλμάτων ελαχιστοποιεί τον αριθμό αναμεταδόσεων ενός πακέτου, μειώνοντας κατά συνέπεια την κατανάλωση ισχύος στον πομπό και στον δέκτη.

41 Page 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ (MAC: Medium Access Control) 4.1 Πρώτη Επαφή Σε αρκετές εφαρμογές οι κόμβοι τοποθετούνται κατά τρόπο λειτουργίας ad hoc χωρίς ιδιαίτερο προσχεδιασμό και καλούνται να αυτό οργανωθούν για να διαμορφώσουν έναν ασύρματο δίκτυο επικοινωνίας με πολλαπλές αναπηδήσεις (multi hop). Μια κοινή πρόκληση στα ασύρματα δίκτυα είναι οι συγκρούσεις, γεγονός που συμβαίνει όταν δύο κόμβοι στέλνουν συγχρόνως δεδομένα στο κοινό μέσο/κανάλι. Έχουν αναπτυχθεί πρωτόκολλα MAC που βοηθούν κάθε κόμβο να αποφασίσει πότε και πώς θα έχουν πρόσβαση στο κανάλι. Αυτό το πρόβλημα είναι επίσης γνωστό ως κατανομή καναλιών ή πρόβλημα πολλαπλάσιας πρόσβασης. Το επίπεδο MAC θεωρείται συνήθως ως υπόστρωμα του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων (data link) στην στοίβα πρωτόκολλων δικτύου. Τα πρωτόκολλα MAC έχουν μελετηθεί εκτενώς σε παραδοσιακούς τομείς ασύρματων μεταδόσεων φωνής και δεδομένων. Η Πολλαπλή Πρόσβαση Διαχωρισμένου Χρόνου (TDMA: Time Division Multiple Access), η Πολλαπλή Πρόσβαση Διαχωρισμένης Συχνότητας (FDMA: Frequency Division Multiple Access) και η Πολλαπλή Πρόσβαση Διαχωρισμένου Κώδικα (CDMA: Code Division Multiple Access), είναι πρωτόκολλα MAC που χρησιμοποιούνται ευρέως στα σύγχρονα κυψελοειδή συστήματα επικοινωνίας. Η βασική ιδέα είναι να αποφεύγονται οι παρεμβολές ρυθμίζοντας την πρόσβαση των κόμβων στα διαφορετικά υπο κανάλια που διαιρούνται στο χρόνο, τη συχνότητα ή με ορθογώνιους κώδικες. Αφού τα υπο κανάλια δεν παρεμποδίζουν το ένα το άλλο, τα πρωτόκολλα MAC (γνωστά και ως Προγραμματισμένα Πρωτόκολλα) μπορούν να αποφύγουν σχεδόν όλες τις συγκρούσεις. Μια άλλη κατηγορία πρωτοκόλλων MAC βασίζεται στον ανταγωνισμό (contention) όπου οι κόμβοι ανταγωνίζονται για το κοινό κανάλι, με αποτέλεσμα τον πιθανό συντονισμό. Κλασσικά παραδείγματα είναι το ALOHA και η Αίσθηση Φορέα Πολλαπλής Πρόσβασης (CSMA: Carrier Sense Multiple Access). Στο ALOHA ο κόμβος απλά εκπέμπει το πακέτο μόλις δημιουργηθεί (pure ALOHA) ή στην επόμενη διαθέσιμη θέση (slotted ALOHA). Τα πακέτα που συγκρούονται απορρίπτονται και επανεκπέμπονται αργότερα (Εικόνα 4.1). Στο CSMA ο κόμβος ακούει το κανάλι πριν εκπέμψει. Εάν το κανάλι είναι απασχολημένο, καθυστερεί την πρόσβαση του στο κανάλι και ξαναδοκιμάζει αργότερα. Το πρωτόκολλο CSMA είναι η βάση αρκετών πρότυπων με ευρεία χρήση, όπως το IEEE Οι βασικές διαφορές των δικτύων αισθητήρων από τα παραδοσιακά ασύρματα δίκτυα φωνής ή δεδομένων είναι: Εικόνα 4.1 ALOHA (1 + A.F.)

42 Page 42 Οι περισσότεροι κόμβοι στα δίκτυα αισθητήρων τροφοδοτούνται από μπαταρία η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις είναι πολύ δύσκολο να αλλαχτεί. Οι κόμβοι συχνά χρησιμοποιούνται κατά τρόπο λειτουργίας ad hoc και μετά πρέπει να αυτό οργανωθούν σε δίκτυο επικοινωνίας. Αρκετές εφαρμογές χρησιμοποιούν πολλούς κόμβους και η πυκνότητα τους ποικίλει αναλόγως του τόπου και χρόνου. Το μεγαλύτερο μέρος της κυκλοφορίας στο δίκτυο οφείλεται στην ανίχνευση γεγονότων και μπορεί να υπάρξουν μεγάλες εκρήξεις πληροφορίας. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά προτείνουν ότι τα παραδοσιακά πρωτόκολλα MAC μπορούν να εφαρμοστούν στα WSN μόνο με κατάλληλες τροποποιήσεις. 4.2 Σχεδίαση MAC για τα WSN Χαρακτηριστικά και Ανταλλαγές στα MAC Τα πρωτόκολλα MAC επηρεάζονται από διάφορους περιορισμούς και κατά την σχεδίαση τους πρέπει γίνονται κάποιες ανταλλαγές μεταξύ ιδιοτήτων όπως: Αποφυγή Σύγκρουσης: Βασικός στόχος όλων των πρωτοκόλλων MAC. Καθορίζει το πότε και πώς ένας κόμβος μπορεί να έχει πρόσβαση στο μέσο. Οι συγκρούσεις δεν μπορούν να αποφθεχθούν εντελώς στα πρωτόκολλα MAC που βασίζονται στον ανταγωνισμό αλλά μπορούν να αποφεύγουν τις συχνές συγκρούσεις. Ενεργειακή Αποδοτικότητα: Από τις σημαντικότερες ιδιότητες για πρωτόκολλα MAC σε δίκτυα αισθητήρων. Όπως προαναφέρθηκε, όταν υπάρχουν πολλοί κόμβοι είναι δύσκολο να αλλαχτούν ή να επαναφορτιστούν οι μπαταρίες τους. Οπότε ένας στόχος στην σχεδίαση των WSN είναι η κατασκευή αρκετά φθηνών κόμβων ώστε να είναι αναλώσιμοι, ή να είναι αρκετά αποδοτικοί λειτουργώντας μόνο από περιβαλλοντικές πηγές ενέργειας. Επειδή το ράδιο είναι σημαντικός ενεργειακός καταναλωτής, το MAC ελέγχει άμεσα τις ραδιοδραστηριότητες και την κατανάλωση ενέργεια. Εξελιξιμότητα & Προσαρμοστικότητα: Στενά συνδεδεμένες ιδιότητες πρωτοκόλλου MAC που προσαρμόζουν τις αλλαγές στο μέγεθος του δικτύου, στην πυκνότητα των κόμβων και στην τοπολογία. Μερικοί κόμβοι μπορεί να ξεμείνουν από μπαταρία με την πάροδο του χρόνου και αργότερα μπορεί νέοι κόμβοι να προστεθούν ή να μετακινηθούν σε διαφορετικές θέσεις. Έτσι ένα καλό πρωτόκολλο MAC πρέπει να μπορεί να προσαρμοστεί σε τέτοιες αλλαγές. Χρήση Καναλιών: Απεικονίζει το πόσο καλά αξιοποιείται ολόκληρο το εύρος ζώνης. Αφού το εύρος ζώνης είναι ο πολυτιμότερος πόρος σε τέτοιου είδους συστήματα και επειδή συνήθως χρειάζεται να φιλοξενεί όσο το δυνατόν περισσότερους χρήστες, είναι ένα σημαντικό θέμα στα κυψελοειδή τηλεφωνικά συστήματα ή στα ασύρματα δίκτυα τοπικής περιοχής (WLAN). Αντίθετα, ο αριθμός ενεργών κόμβων στα δίκτυα αισθητήρων καθορίζεται κυρίως από την εφαρμογή.

43 Page 43 Καθυστέρηση: Αναφέρεται στον χρόνο από την στιγμή που υπάρχει πακέτο για αποστολή μέχρι την επιτυχή παραλαβή του. Στα δίκτυα αισθητήρων η σημασία της καθυστέρησης εξαρτάται από την εφαρμογή. Σε εφαρμογές παρακολούθησης ή ελέγχου, οι κόμβοι επαγρυπνούν για αρκετό χρόνο αλλά κατά το μεγαλύτερο μέρος μένουν ανενεργοί έως ότου ανιχνευτεί κάτι. Συνήθως αυτές οι εφαρμογές έχουν μια ανοχή στην επιπρόσθετη καθυστέρηση στο μήνυμα επειδή η ταχύτητα του δικτύου είναι αρκετά μεγαλύτερη από την ταχύτητα ενός φυσικού γεγονότος. Άρα η ταχύτητα του γεγονότος που εντοπίστηκε τοποθετεί ένα όριο στο πόσο γρήγορα ένα δίκτυο πρέπει να αντιδράσει. Ρυθμαπόδοση: Μετριέται συχνά σε bits ή bytes/δευτερόλεπτο και αναφέρεται στον όγκο δεδομένων που μεταφέρεται επιτυχώς από τον πομπό στον δέκτη σε δεδομένο χρόνο. Παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στη ρυθμαπόδοση είναι η αποδοτικότητα στην αποφυγή συγκρούσεων, η αξιοποίηση των καναλιών, η καθυστέρηση και ο έλεγχος επιπρόσθετων απωλειών. Οι εφαρμογές αισθητήρων που απαιτούν μεγάλη διάρκεια ζωής, δέχονται συχνά μεγαλύτερη καθυστέρηση και χαμηλότερη ρυθμαπόδοση. Μια σχετική ιδιότητα είναι η Ορθή Παράδοση (GoodPut) που αναφέρεται στη ρυθμαπόδοση που μετριέται μόνο βάση των δεδομένων που παραλαμβάνονται από το δέκτη χωρίς σφάλμα. Δίκαιη Λειτουργία: Απεικονίζει τη δυνατότητα χρηστών, κόμβων ή εφαρμογών, για ίση απασχόληση του καναλιού. Είναι σημαντική ιδιότητα στα παραδοσιακά δίκτυα φωνής ή δεδομένων, επειδή κάθε χρήστης επιθυμεί ίση ευκαιρία για να στείλει ή να λάβει τα δεδομένα των αιτήσεων τους. Εντούτοις, στα δίκτυα αισθητήρων όλοι οι κόμβοι συνεργάζονται για έναν κοινό στόχο. Ανά πάσα στιγμή, ένας κόμβος μπορεί να έχει πολύ περισσότερα δεδομένα προς αποστολή απ ότι άλλοι κόμβοι, οπότε αντί για ίση μεταχείριση μεταξύ κόμβων, η επιτυχία αξιολογείται από την απόδοση της εφαρμογής σαν σύνολο Ενεργειακή Αποδοτικότητα Για τον σχεδιασμό ενός ενεργειακά αποδοτικού πρωτόκολλου MAC, πρέπει να ληφθεί υπόψη η εξής ερώτηση: Τι είναι αυτό που προκαλεί απώλειες ενέργειας από πλευράς πρωτοκόλλου MAC; Πηγές με σημαντικές απωλειών ενέργειας είναι: Σύγκρουση: Δύο πακέτα που συγκρούονται αλλοιώνονται και απορρίπτονται. Οπότε η αναμετάδοση τους κοστίζει ενέργεια. Αν και είναι σημαντικό πρόβλημα στα πρωτόκολλα ανταγωνισμού, δεν είναι μεγάλο πρόβλημα στα πρωτόκολλα χρονικού προγραμματισμού (scheduled). Αδράνεια Ακρόασης: Συμβαίνει όταν το ράδιο ακούει στο κανάλι για να λάβει πιθανά δεδομένα. Πολλά πρωτόκολλα MAC (όπως τα CSMA και CDMA) ακούνε πάντα στο κανάλι όταν αυτό είναι ενεργό, υποθέτοντας ότι ο χρήστης θα το απενεργοποιήσει εάν δεν υπάρχουν δεδομένα για αποστολή. Οι απώλειες εξαρτώνται από το υλικό του ραδίου και από την κατάσταση λειτουργίας. Για ράδια μεγάλης εμβέλειας (0.5km ή περισσότερα), η δύναμη εκπομπής είναι υπεύθυνη για την μεγαλύτερη κατανάλωση. Για ράδιο μικρής εμβέλειας, όταν ακούει στο κανάλι η κατανάλωση ενέργειας είναι σχεδόν ίδια με εκείνη που ξοδεύεται στην εκπομπή ή λήψη (περίπου %). Για παράδειγμα, στην κάρτα Wavelan των

44 Page MHz μετρήθηκαν οι αναλογίες κατανάλωσης ισχύος Αδράνεια: Λήψη: Μετάδοση και είναι 1:1.05:1.4, ενώ οι προδιαγραφές του συστήματος WLAN Digitan (IEEE το 802.ll/2Mbps) δείχνει αναλογίες 1:2:2.5. Επίσης, σε κόμβο Mica2 οι αναλογίες είναι 1:1:1.41 στα 433MHz με ισχύ σήματος RF στο 1mW σε λειτουργία εκπομπής. Λειτουργία Κρυφακούσματος (overhearing): εμφανίζεται όταν ένας κόμβος λαμβάνει πακέτα που προορίζεται για άλλους κόμβους. Κρυφακούγοντας αχρείαστα δεδομένα όταν υπάρχει μεγάλη κινητικότητα και υψηλή πυκνότητα κόμβων, οι ενεργειακές απώλειες θα είναι μεγάλες. Πλεόνασμα Πακέτων Ελέγχου: Κατά την αποστολή, λήψη και ακρόαση πακέτων ελέγχου καταναλώνεται ενέργεια. Επίσης, επειδή τα πακέτα ελέγχου δεν μεταβιβάζουν δεδομένα, μειώνεται το ωφέλιμο goodput. Ένα πρωτόκολλο MAC επιτυγχάνει εξοικονόμηση ενέργειας τον ραδιοπομπό απενεργοποιώντας τον όταν δεν χρειάζεται. Στους μικροσκοπικούς κόμβους αισθητήρων, όπως ο κόμβος Berkeley, το ράδιο και η CPU είναι δύο σημαντικοί καταναλωτές ενέργειας. Για παράδειγμα στον κόμβο Mica2 ο ραδιοπομπός (στα 53MHz) καταναλώνει 22.2mW όταν είναι σε λειτουργία αδράνειας ή λήψης. Δηλαδή έχει περίπου την ίδια κατανάλωση με αυτή που έχει η CPU όταν είναι ενεργή. Άρα στον ενεργειακό έλεγχο που ασκεί το πρωτόκολλο MAC χρειάζεται να συμπεριληφθούν και άλλα τμήματα, όπως η CPU. 4.3 Προγραμματισμένα Πρωτόκολλα Βάση του μηχανισμού αποφυγής συγκρούσεων, τα πρωτόκολλα MAC μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: στα χρονικά προγραμματιζόμενα (scheduled), όπως το TDMA, και στα βασιζόμενα στον ανταγωνισμό. To TDMA διαιρεί το κανάλι σε N χρονικές θέσεις (Εικόνα 4.2) όπου σε κάθε θέση επιτρέπεται μόνο σε ένα κόμβο να εκπέμψει και οι Ν θέσεις αποτελούν πλαίσιο που επαναλαμβάνετε κυκλικά. Το TDMA χρησιμοποιείται συχνά στα κυψελοειδή ασύρματα συστήματα επικοινωνίας, όπως το GSM. Σε κάθε κυψέλη ο σταθμός διαχειρίζεται τα χρονικά slots παρέχοντας συγχρονισμό αλλά και πληροφορίες συγχρονισμού στους κινητούς κόμβους. Οι κινητοί κόμβοι επικοινωνούν μόνο με τον σταθμό και δεν υπάρχει άμεση επικοινωνία μεταξύ των κινητών κόμβων. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του TDMA είναι η ενεργειακή αποδοτικότητά επειδή υποστηρίζει τον κύκλο μειωμένης ενεργής κατάστασης (Low Duty Cycle) στους κόμβους. Εικόνα 4.2 TDMA με Ν χρονικές θέσεις (A.F.) Εντούτοις, το TDMA έχει μερικά μειονεκτήματα που περιορίζουν την χρήση του στα WSN. Οι κόμβοι χρειάζονται να διαμορφώνουν συστάδες ανάλογες με τις κυψέλες στα κυψελοειδή συστήματα επικοινωνιών και ένας από τους κόμβους στη συστάδα επιλέγεται ως επικεφαλής συστάδας και ενεργεί

45 Page 45 ως σταθμός βάσης. Οι κόμβοι κανονικά είναι περιορισμένοι στο να επικοινωνούν με τον επικεφαλή τους δηλ. η επικοινωνία peer to peer δεν υποστηρίζεται άμεσα. Εάν οι κόμβοι επικοινωνούσαν άμεσα, θα έπρεπε να ακούνε κατά τη διάρκεια όλων των slots, μειώνοντας την ενεργειακή αποδοτικότητα τους. Οι επικοινωνίες εντός συστάδας πρέπει να αντιμετωπιστούν με άλλες προσεγγίσεις, όπως είναι το FDMA ή CDMA. Τα TDMA έχουν περιορισμένες ικανότητες και προσαρμοστικότητα στις πιθανές αλλαγές των κόμβων. Όταν προστίθενται νέοι ή αφαιρούνται παλιοί κόμβοι από την συστάδα, ο σταθμός βάσης πρέπει να ρυθμίσει το μήκος των πλαισίων ή την κατανομή των slot. Οι συχνές όμως αλλαγές μπορεί να κοστίσουν στο σύστημα ή να καθυστερούν να επιδράσουν. Επίσης, το μήκος των πλαισίων και η στατική κατανομή των slot, μπορεί να περιορίσουν τη διαθέσιμη ρυθμαπόδοση των κόμβων και τον μέγιστο αριθμό ενεργών κόμβων σε μια συστάδα. Τέλος, τα πρωτόκολλα TDMA εξαρτώνται από τον διανεμημένο χρονικό συγχρονισμό ακριβείας για την ευθυγράμμιση των ορίων των slots. Από το βασικό πρωτόκολλο TDMA, υπάρχουν πολλές παραλλαγές όπως αντί για προγραμματισμό των slots για τις μεταδόσεις των κόμβων, μπορούν να οριστούν για λήψεις. Ο σταθμός μπορεί να τα διαθέσει δυναμικά κάνοντας ανάλογες ρυθμίσεις σε κάθε πλαίσιο. Επίσης, με ρυθμίσεις ad hoc οι απλοί κόμβοι μπορούν να πάρουν το ρόλο του σταθμού, περιστρέφοντας τον ρόλος μεταξύ τους για να υπάρχει ισορροπημένη κατανάλωση ενέργειας Παραδείγματα Πρωτόκολλο των Sohrabi & Pottie: πρότειναν ένα πρωτόκολλο αυτό οργάνωσης για τα WSN. Θεωρεί ότι είναι διαθέσιμα πολλαπλά κανάλια μέσω FDMA ή CDMA. Όταν ένας κόμβος δεν πρόκειται να στείλει ή να πάρει δεδομένα, κλείνει το ράδιο του για συντήρηση ενέργειας. Ο κάθε κόμβος έχει δικό του slot με χρόνους εκπομπής και όλα τα slots σχηματίζουν το υπέρ πλαίσιο. Η ανάθεση των χρονικών slots αποφασίζεται από τους δύο κόμβους που πρόκειται να επικοινωνήσουν. Αν και το υπέρ πλαίσιο μοιάζει με πλαίσιο TDMA, δεν αποτρέπει τις συγκρούσεις μεταξύ κόμβων που παρεμβαίνουν. Αποτρέπονται όμως με την χρήση των FDMA ή CDMA. Ένα τέτοιο πρωτόκολλο υποστηρίζει λειτουργία σε χαμηλή ενέργεια αλλά χρησιμοποιεί μικρό ποσοστό του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Κάθε υπο κανάλι αφιερώνεται για την σύνδεση δύο κόμβων, χρησιμοποιείται μόνο για μικρό χρονικό διάστημα και δεν μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί από άλλους γειτονικούς κόμβους. Ιεραρχία Προσαρμοστικών Συστάδων Χαμηλής Ενέργειας (LEACH: Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy): είναι παράδειγμα εφαρμογής TDMA στα WSN. Το LEACH οργανώνει τους κόμβους σε ιεραρχίες συστάδων και εφαρμόζει TDMA εντός της κάθε συστάδας. Ο ρόλος του επικεφαλή συστάδας αλλάζει μεταξύ των κόμβων με βάση τα ενεργειακά επίπεδα του κάθε ενός. Οι κόμβοι μιας συστάδας επικοινωνούν μόνο με τον επικεφαλή συστάδας ο οποίος με την σειρά του επικοινωνεί με τον δέκτη μέσω ραδίου μεγάλης ακτίνας. Το LEACH είναι ένα παράδειγμα που επεκτείνει άμεσα το κυψελοειδές πρότυπο TDMA στα δίκτυα αισθητήρων. Bluetooth: σχεδιάστηκε για τα Προσωπικά Δίκτυα (PAN: Personal Area Networks), όπου οι κόμβοι είναι συσκευές με μπαταρίες, όπως τα PDA (Personal Digital Assistant), ασύρματα τηλέφωνα και φορητοί υπολογιστές. Λόγω της λειτουργίας του με μικρή ενέργεια και το χαμηλό του κόστος, η χρήση του είναι ελκυστική στα WSN. Όπως και στο LEACH, το Bluetooth οργανώνει τους κόμβους σε συστάδες, ονομαζόμενες piconets. Για τον χειρισμό των επικοινωνιών και παρεμβάσεων εντός των συστάδων, υιοθετείται το πρωτόκολλο CDMA με αναπηδήσεις συχνότητας. Εντός της συστάδας, χρησιμοποιείται ένα πρωτόκολλο βασιζόμενο σε TDMA για τον χειρισμό των επικοινωνιών μεταξύ του

46 Page 46 επικεφαλή συστάδας (master) και των άλλων κόμβων (slaves). Έτσι, το κανάλι διαιρείται σε χρονικά slots για εναλλασσόμενες εκπομπές των master και slaves. Ο master χρησιμοποιεί την τακτική ψήφων (polling) για να αποφασίσει ποιος slave έχει το δικαίωμα εκπομπής. Επικοινωνία υπάρχει μόνο μεταξύ του master και ενός ή περισσότερων slaves. Ο μέγιστος αριθμός ενεργών κόμβων σε μια συστάδα περιορίζεται στους οκτώ (παράδειγμα περιορισμένης διαβάθμισης). Η δημιουργία όμως μεγαλύτερων δικτύων είναι εφικτή όταν ένας κόμβος γεφυρώσει δύο piconets, δημιουργώντας ένα scatternet. Ο κόμβος γεφύρωσης μπορεί προσωρινά να αφήσει ένα piconet και να ενσωματωθεί με άλλο ή και να λειτουργεί με δύο ράδια Εξοικονόμηση Ενέργειας Τα χρονικά προγραμματιζόμενα (scheduled) πρωτόκολλα, όπως το TDMA, είναι πολύ ελκυστικά για τις εφαρμογές στα δίκτυα αισθητήρων λόγω της ενεργειακής αποδοτικότητάς τους. Επειδή κάθε slot είναι δοσμένο σε διαφορετικό κόμβο, δεν υπάρχουν συγκρούσεις στο σύστημα και άρα δεν σπαταλιέται επιπρόσθετη ενέργεια. Επίσης, το TDMA υποστηρίζει τη λειτουργία κύκλου μειωμένης ενεργής κατάστασης (low dutycycle). Ένας κόμβος απλά ανοίγει το ράδιο του κατά τη διάρκεια του δικού του slot για εκπομπή ή λήψη. Γενικά, τα χρονικά προγραμματιζόμενα πρωτόκολλα έχουν καλή ενεργειακή αποδοτικότητα αλλά δεν προσαρμόζονται σε αλλαγές πυκνότητας ή μετακινήσεις κόμβων και δεν υποστηρίζουν την επικοινωνία ομότιμων κόμβων (peer to peer). 4.4 Πρωτόκολλα βασιζόμενα στον Ανταγωνισμό Αντίθετα από τα scheduled πρωτόκολλα, τα πρωτόκολλα ανταγωνισμού δεν διαιρούν το κανάλι σε υπο κανάλια και δεν δηλώνουν τα υπο κανάλια σε κόμβους. Αντ' αυτού, το κοινό κανάλι χωρίζεται σε υπο κανάλια αναλόγως των αιτήσεων από κόμβους και ο μηχανισμός ανταγωνισμού αποφασίζει ποιος κόμβος θα έχει πρόσβαση στο κανάλι ανά χρονική στιγμή. Τα πρωτόκολλα ανταγωνισμού έχουν αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των scheduled. Κατ' αρχάς, επειδή τα πρωτόκολλα ανταγωνισμού διαθέτουν τους πόρους κατόπιν αίτησης, μπορούν να προσαρμοστούν ευκολότερα στις αλλαγές πυκνότητας των κόμβων ή του φορτίου κυκλοφορίας. Δεύτερον, προσαρμόζονται και σε ενδεχόμενες αλλαγές τοπολογίας. Άρα δεν υπάρχουν απαιτήσεις για την διαμόρφωση συστάδων επικοινωνίας και η επικοινωνία ομότιμων κόμβων υποστηρίζεται άμεσα. Τέλος, δεν απαιτούν συγχρονισμό ακριβείας όπως στα πρωτόκολλα TDMA. Το σημαντικότερο μειονέκτημα του είναι ο ανεπαρκής χειρισμός ενέργειας. Έχει δηλ. τα προαναφερθείσα προβλήματα σπατάλης ενέργειας, δηλ. οι κόμβοι ακούνε πάντα οπότε οι συγκρούσεις και ο ανταγωνισμός σπαταλούν ενέργεια Παραδείγματα Όπως αναφέρεται στην παράγραφο 4.1, το CSMA είναι σημαντικό πρωτόκολλο ανταγωνισμού. Η βασική ιδέα είναι να ακούει πριν εκπέμψει, ανιχνεύοντας έτσι εάν το μέσο είναι απασχολημένο. Υπάρχουν αρκετές παραλλαγές του CSMA, συμπεριλαμβανομένου των: Μη Επίμονο (non persistent), 1 Επίμονο (1 persistent) και ρ Επίμονο(ρ persistent).

47 Page 47 Στο non persistent CSMA, εάν ένας κόμβος ανιχνεύσει ένα μη απασχολημένο μέσο, εκπέμπει αμέσως. Αλλιώς περιμένει για τυχαίο χρονικό διάστημα και ξεκινά πάλι την αίσθηση φορέα. Στο 1 persistent CSMA, ένας κόμβος εκπέμπει εάν το μέσο δεν είναι απασχολημένο. Αλλιώς ακούει συνέχεια έως ότου το μέσο μείνει ελεύθερο. Στο p persistent CSMA, ένας κόμβος εκπέμπει με πιθανότητα p εάν το μέσο είναι ελεύθερο και σταματάει με πιθανότητα (1 p) όπου και επανεκκινεί την αίσθηση φορέα. Στα δίκτυα αισθητήρων πολλαπλών αναπηδήσεων όμως, το CSMA από μόνο του δεν είναι αρκετό λόγο του προβλήματος του κρυμμένου τερματικού. Η Εικόνα 4.3 επεξηγεί το πρόβλημα αυτό σε ένα δίκτυο δύοαναπηδήσεων με τρεις κόμβους όπου οι κόμβοι a, b και c μπορούν να ακούσουν μόνο τους άμεσους γείτονες τους. Όταν ο κόμβος a στέλνει στον b, ο κόμβος c δεν το γνωρίζει γιατί η αίσθηση φορέα που εκτελεί δείχνει ότι το μέσο δεν είναι απασχολημένο. Έτσι εάν αρχίσει να εκπέμπει και ο c, ο b θα λάβει συγκρουόμενα πακέτα. Για να αποφευχθεί το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού, αναπτύχθηκε το CSMA/CA (CA: collision avoidance). Δηλαδή CSMA με αποφυγή συγκρούσεων το οποίο Εικόνα 4.3 CSMA (A.F.) και υιοθετείται από το WLAN πρότυπο IEEE Ο βασικός μηχανισμός είναι η επίτευξη σύντομης χειραψίας μεταξύ αποστολέα και δέκτη προτού ξεκινήσει η εκπομπή. Η χειραψία ξεκινά από τον αποστολέα με την εκπομπή ενός σύντομου πακέτου Αίτηση Για Αποστολή (RTS: Request to Send) στον δέκτη. Ο δέκτης τότε απαντά με ένα πακέτο Ελεύθερος Για Αποστολή (CTS: Clear to Send). Αφού λάβει το CTS ο αποστολέας, αρχίζει να στέλνει τα δεδομένα. Ο σκοπός της χειραψίας RTS CTS είναι να ειδοποιηθούν οι γειτονικοί κόμβοι για τον αποστολέα και τον δέκτη. Δηλαδή, στην Εικόνα 4.3, αν και ο κόμβος c δεν μπορεί να ακούσει το RTS από τον a, μπορεί να ακούσει το CTS από τον b. Εάν ένας κόμβος ακούσει πακέτο RTS ή CTS που προορίζεται για άλλο κόμβο, αναστέλλει τυχόν αποστολή πακέτου. Αν και το CSMA/CA δεν εξουδετερώνει πλήρως το πρόβλημα κρυμμένου τερματικού, οι συγκρούσεις περιορίζονται κυρίως στα πακέτα RTS. Αλλά επειδή το πακέτο RTS είναι πολύ σύντομο, μειώνεται πολύ το κόστος των συγκρούσεων. Βάση του CSMA/CA, προτάθηκε το MACA, στο οποίο προστέθηκε η πληροφορία μεγέθους των δεδομένων που θα σταλούν στα πακέτα RTS και CTS, έτσι ώστε οι άλλοι κόμβοι να γνωρίζουν τον χρόνο που θα πρέπει να μην παρεμβαίνουν. Το MACA βελτιώθηκε περαιτέρω δημιουργώντας το πρωτόκολλο MACAW. Το MACAW συμπεριλαμβάνει την χρήση πακέτου Αναγνώρισης (ACK) μετά από κάθε πακέτο δεδομένων, επιτρέποντας την γρήγορη αποκατάσταση από σφάλματα εκπομπής. Έτσι η εκπομπή από ένα αποστολέα σε ένα δέκτη έχει την εξής ακολουθία: RTS CTS DATA ACK. Το IEEE υιοθέτησε όλα αυτά τα χαρακτηριστικά των CSMA/CA, MACA και MACAW στην διανεμημένη λειτουργία συντονισμού του (DCF: Distributed Coordination Function). Έχει επίσης κάποιες βελτιώσεις όπως η Αίσθηση Εικονικού Μεταφορέα (virtual carrier sense), δυαδική εκθετική αποτροπή (binary exponential back off) και υποστήριξη κατάτμησης. Η DCF σχεδιάστηκε για δίκτυα ad hoc, ενώ η λειτουργία συντονισμού σημείου (PCF: Point Coordination Function) προσθέτει υποστήριξη όταν ορισμένα σημεία πρόσβασης διαχειρίζονται την ασύρματη επικοινωνία. Ένα άλλο πρωτόκολλο MAC για τα WSN (το πρότειναν οι Woo και Culler), συνδυάζει το CSMA με ένα μηχανισμό προσαρμοστικού ελέγχου ρυθμού (rate control). Αυτό το πρωτόκολλο είναι βασισμένο σε δίκτυο με συγκεκριμένες ρυθμίσεις όπου ένας σταθμός βάσης προσπαθεί να συλλέξει δεδομένα από όλους τους κόμβους του τομέα. Το σημαντικότερο πρόβλημα είναι ότι οι κόμβοι που είναι πιο κοντά στον σταθμό βάσης έχουν μεγαλύτερη κίνηση δεδομένων αφού διαβιβάζουν και τα δεδομένα των απόμακρων

48 Page 48 κόμβων. Επειδή το πρωτόκολλο MAC στοχεύει στην δίκαιη διάθεση εύρους ζώνης σε όλους τους κόμβους του δικτύου, κάθε κόμβος ρυθμίζει δυναμικά τον ρυθμό εισχώρησης των αρχικών πακέτων του στο δίκτυο: αν στείλει επιτυχώς ένα πακέτο αυξάνει γραμμικά τον ρυθμό του, αλλιώς μειώνει πολλαπλασιαστικά τον ρυθμό του. Επίσης αντί για χρήση των πακέτων RTS και CTS, ο κόμβος κρυφακούει στις εκπομπές του κόμβου από την επόμενη αναπήδηση. Επίσης χρησιμοποιείται αυξανόμενος χρόνος αποφυγής παρεμβάσεων στο CSMA για μείωση της επίδρασης του προβλήματος κρυμμένου τερματικού Συντήρηση Ενέργειας Έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές βελτίωσης της κατανάλωση ενέργειας σε πρωτόκολλα που βασίζονται στον ανταγωνισμό. Η βασική προσέγγιση είναι να τίθεται ο ραδιοπομπός σε κατάσταση sleep όταν δεν χρησιμοποιείται. Π.χ. ο ραδιοπομπός Chipcon (Εικόνα 4.4) που χρησιμοποιήθηκε στον κόμβο Mica2 καταναλώνει μόλις 15μW σε κατάσταση ύπνου, δηλαδή τρείς τάξεις μικρότερη κατανάλωση απ ότι όταν βρίσκεται σε κατάσταση idle/λήψη. Εντούτοις, η ασυντόνιστη κατάσταση sleep μπορεί να καταστήσει δύσκολη την επικοινωνία μεταξύ παρακείμενων κόμβων. Στα πρωτόκολλα MAC που βασίζονται στον ανταγωνισμό έχουν ερευνηθεί παρόμοιοι προγραμματισμοί sleep/wake αλλά με λιγότερους περιορισμούς για βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας. Μερικά παραδείγματα είναι: Piconet: είναι ασύρματο δίκτυο χαμηλής ισχύος (διαφορετικό piconet από εκείνο στο Bluetooth). Χρησιμοποιεί το 1 persistent CSMA και για μείωση της κατανάλωσης της ενεργείας ο κάθε κόμβος μπαίνει σε κατάσταση sleep αυτόνομα. Έτσι κάθε φορά που ξυπνάνε εκπέμπουν την ταυτότητά τους και μετά οι γείτονες αν έχουν δεδομένα με συγκεκριμένο προορισμό περιμένουν να ακούσουν το αναγνωριστικό σήμα του προορισμού και μετά συντονίζονται χρησιμοποιώντας CSMA. IEEE : οι λειτουργίες PCF και DCF έχουν μηχανισμούς εξοικονόμησης ενέργειας (PS: Power Save) οι οποίοι επιτρέπουν στους κόμβους να μπαίνουν σε κατάσταση sleep. Η Εικόνα 4.5 παρουσιάζει την λειτουργία PS σε DCF. Βασική προϋπόθεση είναι ότι όλοι οι κόμβοι ακούνε ο ένας τον άλλο και το δίκτυο αποτελείται από μία μόνο αναπήδηση. Ένας κόμβος εκπέμπει περιοδικά ένα αναγνωριστικό σήμα για να συγχρονίσει τα ρολόγια των άλλων κόμβων. Όλοι οι κόμβοι είναι ικανοί να αναπαράγουν το αναγνωριστικό σήμα, αλλά όταν το στείλει κάποιος οι άλλοι αναστέλλουν την μετάδοση του. Μετά από κάθε αναγνωριστικό σήμα, υπάρχει ένα παράθυρο ATIM (Ad hoc Traffic Indication Message, δηλ. μήνυμα ad hoc ένδειξης κυκλοφορίας), κατά το οποίο όλοι οι κόμβοι είναι ξύπνιοι. Εάν ο αποστολέας θέλει να εκπέμψει σε δέκτη που είναι σε κάποια κατάσταση PS, στέλνει αρχικά ένα ATIM πακέτο στον δέκτη και όταν απαντήσει ο δέκτης, ο αποστολέας αρχίζει την εκπομπή των δεδομένων. Η πιο πάνω κατάσταση προορίζεται σε δίκτυο μιας αναπήδησης. Η γενίκευση του σε δίκτυο πολλαπλών αναπηδήσεων δεν είναι εύκολη λόγω προβλημάτων συγχρονισμού ρολογιών, ανακάλυψης γειτόνων και διαχωρισμού του δικτύου. Έτσι σχεδιαστήκαν τρία σχήματα sleep για πιο αξιόπιστη Εικόνα 4.4 Ραδιοπομπός Chipcon (G.I.) Εικόνα 4.5 PS σε DCF (A.F.)

49 Page 49 λειτουργία PS στο σε δίκτυο πολλαπλών αναπηδήσεων. Τα σχήματα αυτά δεν συγχρονίζουν τον χρόνο που ακούει κάθε κόμβος, αλλά εγγυούνται ότι τα διαστήματα που ακούνε δύο κόμβοι επικαλύπτονται περιοδικά. Υπάρχει όμως το κόστος του επιπρόσθετου έλεγχου και της αυξημένης καθυστέρησης. Για παράδειγμα, ένας πομπός που θέλει να στείλει πακέτο πρέπει πρώτα να ξυπνήσει κάθε γειτονικό του κόμβο ξεχωριστά προτού στείλει το πραγματικό πακέτο. Χωρίς συγχρονισμό κάθε κόμβος θα πρέπει να στέλνει συχνότερα αναγνωριστικά σήματα απ ότι η αρχική λειτουργία PS στο για να αποτρέψει μακροπρόθεσμη απόκλιση των ρολογιών. Υπάρχει όμως ακόμα το πρόβλημα που κρυφακούν. Ένα άλλο πρωτόκολλο, το PAMAS, αποφεύγει αυτό το πρόβλημα τοποθετώντας τους κόμβους σε κατάσταση sleep όταν εκπέμπουν γείτονές τους. Το PAMAS χρησιμοποιεί δύο κανάλια: ένα για τα δεδομένα και ένα για τον έλεγχο. Όλα τα πακέτα ελέγχου διαβιβάζονται στο κανάλι ελέγχου. Όταν ξυπνήσει ένας κόμβος από την κατάσταση sleep, εξετάζει το κανάλι ελέγχου για να δει αν υπάρχουν ενδεχόμενες μεταδόσεις και την διάρκεια τους. Αν υπάρχει μετάδοση επιστρέφει στην κατάσταση sleep για την υπολειπόμενη διάρκεια μετάδοσης. Εξετάζοντας έτσι το κανάλι ελέγχου αποφεύγετε η παρεμβολή στο κανάλι δεδομένων όπου εκπέμπει γειτονικό κόμβος, αφού ο κόμβος που εκπέμπει είναι σε θέση να απαντήσει στον έλεγχο που γίνεται στο κανάλι ελέγχου χωρίς να διακόψει την εκπομπή δεδομένων του. Η χρήση όμως ξεχωριστών καναλιών καθιστά το PAMAS δύσκολο στην εφαρμογή του (πολλαπλά κανάλια απαιτούν πολλαπλούς ραδιοπομπούς ή επιπρόσθετη πολυπλοκότητα κατανομής των καναλιών). Τέλος, δεν μειώνει την ακρόαση στην κατάσταση idle. 4.5 S MAC Το S MAC είναι πρωτόκολλο MAC σχεδιασμένο συγκεκριμένα για τα WSN. Το S MAC είναι στηριγμένο στα πρωτόκολλα ανταγωνισμού (όπως το ) που προσπαθεί να βελτιώσει την ενεργειακή αποδοτικότητα των δικτύων πολλαπλών αναπηδήσεων. Περιλαμβάνει προσεγγίσεις μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας από: άκουσμα όταν σε κατάσταση idle, συγκρούσεις, κρυφάκουσμα και με έλεγχο στις επιπρόσθετες απώλειες Προσεγγίσεις Σχεδίασης Το S MAC χρησιμοποιεί έναν κύκλο sleep/wake up έτσι ώστε οι κόμβοι να είναι το μεγαλύτερο διάστημα σε κατάσταση sleep (Εικόνα 4.6). Ένας πλήρης κύκλος listen/sleep καλείται πλαίσιο (σαν στο TDMA). Κάθε πλαίσιο ξεκινάει με μια περίοδο listen στην οποία οι κόμβοι που έχουν δεδομένα προς εκπομπή συντονίζονται. Ακολουθεί η περίοδος sleep όπου οι κόμβοι, εκτός και αν θα εκπέμψουν δεδομένα, μπαίνουν σε κατάσταση sleep. Εικόνα 4.6 SMAC (A.F.) Περιγραφή του S MAC:

50 Page 50 Scheduling: Η πρώτη τεχνική στο S MAC είναι η καθιέρωση λειτουργίας κύκλου μειωμένηςενεργής κατάστασης στους κόμβους δικτύου πολλαπλών αναπηδήσεων. Για δίκτυα αισθητήρων μεγάλης ζωής, αναμένεται ο κύκλος ενεργής κατάστασης να είναι περίπου στο 1 10%. Το βασικό σχέδιο είναι παρόμοιο με το PS του , χωρίς όμως την υπόθεση ότι όλοι οι κόμβοι μπορούν να ακούσουν ο ένας τον άλλον και χωρίς οριζόμενο σταθμό. Όλοι οι κόμβοι είναι ελεύθεροι να επιλέξουν το δικό τους listen/sleep schedule και το συμμερίζονται με τους γείτονές τους έτσι ώστε να είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ τους. Οι κόμβοι τότε οργανώνουν τις εκπομπές τους στα διαστήματα όπου θα ακούνε οι κόμβοι που θα λάβουν τα πακέτα. Για παράδειγμα, στην Εικόνα 4.6, οι κόμβοι a και b έχουν διαφορετικά schedules. Εάν ο a θέλει να στείλει στον b, θα περιμένει έως ότου ο b ακούει. Για αποφυγή σφαλμάτων συγχρονισμού λόγω μακροπρόθεσμης απόκλισης των ρολογιών, κάθε κόμβος μεταδίδει περιοδικά το πρόγραμμά του σε ένα πακέτο SYNC, το οποίο συγχρονίζει τα ρολόγια. Ο χρόνος αποστολής ενός πακέτου SYNC καλείται περίοδος συγχρονισμού. Με τον συνδυασμό ενός σχετικά μεγάλου χρόνου ακρόασης και σύντομου χρόνου wake up, δεν απαιτείται αυστηρός συγχρονισμός των ρολογιών του πρωτόκολλου TDMA. Όμως για μείωση του ελέγχου στις επιπρόσθετες απώλειες, το S MAC ενθαρρύνει τους κόμβους να υιοθετήσουν τα ίδια χρονικά προγράμματα. Όταν ένας κόμβος ρυθμίζει πρώτα τον εαυτό του, ακούει για μια περίοδο συγχρονισμού και υιοθετεί το πρώτο πρόγραμμα που θα ακούσει. Επίσης, ακούγοντας ένα ολόκληρο πλαίσιο, οι κόμβοι ανακαλύπτουν περιοδικά γειτονικούς κόμβους με διαφορετικά schedules που μπορεί να μετακινήθηκαν εντός εμβέλειας. Εκπομπή Δεδομένων: Ο μηχανισμός αποφυγής συγκρούσεων στο S MAC είναι παρόμοιος με του IEEE DCF. Ανταγωνισμός υπάρχει μόνο στο διάστημα που ακούει ο δέκτης και ενώ τα πακέτα δεδομένων συνδυάζουν το CSMA με ανταλλαγή των RTS CTS DATA ACK μεταξύ πομπού και δέκτη, τα πακέτα μετάδοσης χρησιμοποιούν μόνο το CSMA. Το S MAC προσθέτει και την πληροφορία διάρκειας σε κάθε πακέτο και όταν ένας γειτονικός κόμβος ακούσει για τον χρόνο αυτόν από την επικοινωνία δυο άλλων κόμβων, θα γνωρίζει το χρονικό διάστημα που θα πρέπει να μπει σε κατάσταση sleep, αποφεύγοντας έτσι να κρυφακούει και τα επόμενα πακέτα. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό γνώρισμα των WSN είναι η επεξεργασία των δεδομένων εντός δικτύου. Απαιτεί επεξεργασία αποθήκευσης/μεταβίβασης μηνυμάτων σε επίπεδο εφαρμογών και όχι απλά μεμονωμένων πακέτων σε επίπεδο MAC. Ενώ τα παραδοσιακά πρωτόκολλα MAC δίνουν έμφαση στην δίκαιη επικοινωνία και χωρίς παρεμβολές από ταυτόχρονες αποστολές, το S MAC χρησιμοποιεί την διαβίβαση μηνυμάτων που επιτρέπει σε πολλαπλά τμήματα ενός μηνύματος να σταλούν με μια έκρηξη εκπομπών. Μη επιτρέποντας έτσι παρεμβολές από τμήματα πολλαπλών μηνυμάτων, μειώνει τις καθυστερήσεις στα μηνύματα. Στην διαβίβαση μηνυμάτων, χρησιμοποιείται ένα RTS και ένα CTS για να κρατήσει το κανάλι για όσο χρειάζεται να εκπέμψει όλα τα τμήματα. Κάθε τμήμα αναγνωρίζεται (ACKnowledged) ξεχωριστά και αν απαραίτητο, επανεκπέμπεται. Εκτός από τα RTS και CTS, κάθε τμήμα ή ACK περιλαμβάνει επίσης και την διάρκεια της υπόλοιπης εκπομπής επιτρέποντας έτσι στους κόμβους που ξυπνούν κατά την διάρκεια της μετάδοσης να επιστρέψουν στην κατάσταση sleep. Αντιθέτως, στο κάθε τμήμα έχει μόνο ως ένδειξη την παρουσία ενός επιπρόσθετου τμήματος και όχι όλων. Με τη χρήση κύκλου μειωμένης ενεργής κατάστασης, οι κόμβοι πρέπει να καθυστερούν την εκπομπή ενός πακέτου έως ότου έρθει η επόμενη περίοδος ακρόασης από τον κόμβο προορισμού, το οποίο αυξάνει και την καθυστέρηση. Επιπλέον, περιορίζοντας την ευκαιρία ανταγωνισμού για το κανάλι, μπορεί να περιοριστεί και η ρυθμαπόδοση σε ένα μήνυμα ανά πλαίσιο. Αυτά τα προβλήματα πιθανώς να συσσωρεύονται σε κάθε αναπήδηση (δίκτυο πολλαπλών αναπηδήσεων), οπότε για την μείωση της καθυστέρησης, το S MAC χρησιμοποιεί προσαρμοστική ακρόαση. Δηλαδή, μετά την ακολουθία των RTS CTS DATA ACK, αντί να περιμένει για την επόμενη περίοδο ακρόασης, ξυπνάνε οι γειτονικοί κόμβοι

51 Page 51 αμέσως μετά την ολοκλήρωση της ανταλλαγής. Αυτό επιτρέπει τον άμεσο ανταγωνισμό για το κανάλι, είτε από έναν νέο κόμβο είτε για συνέχεια στην επόμενη αναπήδηση. Άρα με προσαρμοστική ακρόαση, η συνολική καθυστέρηση στο ad hoc μπορεί να μειωθεί τουλάχιστον κατά το ήμισυ Απόδοση Το S MAC έχει εφαρμοστεί στους κόμβους Mica του Berkeley οι οποίοι χρησιμοποιούν ενσωματωμένη CPU των 8 bit και ραδιοπομπούς περιορισμένης εμβέλειας και χαμηλής ισχύος (ή το RFM TR1000, ή το TR3000, ή το Chipcon CC1000). Χαρακτηριστικό του κόμβου Mica είναι ότι παρέχει πρόσβαση πολύ χαμηλού επιπέδου στον ραδιοπομπό και η εφαρμογή του S MAC επιτρέπει σε έναν χρήστη την χρήση διάφορων καταστάσεων. Για τις μετρήσεις που θα ακολουθήσουν, χρησιμοποιήθηκε το RFM TR3000 με εύρος ζώνης 20kb/s και με ρυθμίσεις: Κύκλος ενεργής κατάστασης στο 10% χωρίς προσαρμοστική ακρόαση. Κύκλος ενεργής κατάστασης στο 10% με προσαρμοστική ακρόαση. Χωρίς κύκλο sleep (κύκλος ενεργής κατάστασης στο 100%) με αποφυγή κρυφακούσματος. Η τοπολογία της μέτρησης είναι ένα γραμμικό δίκτυο 11 κόμβων, με τον πρώτο κόμβο ως πηγή και τον τελευταίο ως δέκτη. Κατανάλωση ενέργειας. Η κατανάλωση ενέργειας μετριέται στο δίκτυο 10 αναπηδήσεων με το S MAC να έχει τις πιο πάνω ρυθμίσεις. Σε κάθε δοκιμή ο κόμβος πηγή εκπέμπει ένα σταθερό ποσό δεδομένων (20 μηνύματα, 100 byte το καθ ένα). Η Εικόνα 4.7 δείχνει πως αλλάζει η κατανάλωση ενέργειας σε όλους τους κόμβους του δικτύου καθώς το φόρτος κυκλοφορίας αλλάζει από βαρύς (στα αριστερά) προς ελαφρύς (στα δεξιά). Η Εικόνα 4.7 δείχνει επίσης ότι η λειτουργία σε ελαφρύ φόρτο και χαμηλό κύκλο ενεργής κατάστασης, εξοικονομεί μεγάλα ποσά ενέργειας έναντι της μη χρήσης της κατάστασης sleep (κατά παράγοντα περίπου 6). Παρουσιάζει ακόμη τη σημασία της προσαρμοστικής ακρόασης σε βαρύ φόρτο. Χωρίς προσαρμοστική ακρόαση, ένας κύκλος ενεργής κατάστασης 10% καταναλώνει περισσότερη Εικόνα 4.7 Κατανάλωση Ενέργειας (1 + A.F.) ενέργεια απ ότι η συνεχής ακρόαση επειδή οι λιγότερες ευκαιρίες εκπομπής σημαίνουν μεγαλύτερο χρόνο εκπομπής για την ίδια ποσότητα δεδομένων. Αντιθέτως, η προσαρμοστική αποστολή επιτρέπει στο S MAC να είναι τόσο αποδοτικό όσο και ένα MAC που δεν μπαίνει ποτέ σε κατάσταση sleep ακόμα και υπάρχουν πάντα δεδομένα προς αποστολή. Καθυστέρηση. Μειονέκτημα της S MAC είναι η πιθανή αύξηση καθυστέρησης στην αποστολή μηνύματος. Εδώ η καθυστέρηση μετριέται με τον χρόνο που χρειάζεται για ένα μήνυμα να ταξιδεύσει σε διαφορετικές διαδρομές αναπηδήσεων όταν υπάρχει μόνο ένα μήνυμα στο δίκτυο.

52 Η Εικόνα 4.8 δείχνει την υπολογισμένη καθυστέρηση συναρτήσει της απόστασης. Και στις τρεις καταστάσεις του S MAC, η καθυστέρηση αυξάνεται γραμμικά με τον αριθμό αναπηδήσεων. Όμως, το S MAC με κύκλο ενεργής κατάστασης στο 10% χωρίς προσαρμοστική ακρόαση, έχει πολύ υψηλότερη καθυστέρηση απ ότι τα άλλα δύο. Ο λόγος είναι ότι κάθε μήνυμα πρέπει να περιμένει έναν κύκλο sleep σε κάθε αναπήδηση. Η καθυστέρηση όμως με προσαρμοστική ακρόαση είναι σχεδόν ίδια με αυτήν του MAC χωρίς περιοδική κατάσταση sleep επειδή η προσαρμοστική ακρόαση επιτρέπει συχνά στο S MAC να στέλνει αμέσως ένα μήνυμα στην επόμενη αναπήδηση. Να σημειωθεί ότι για κάθε κατάσταση κύκλου μειωμένης ενεργής κατάστασης, η διαφορά στη καθυστέρηση είναι πολύ μεγαλύτερη από της πλήρης ενεργής κατάστασης και Εικόνα 4.8 αυξάνεται με τον αριθμό των αναπηδήσεων. Αυτό εξηγείται Καθυστέρηση (1 + A.F.) επειδή κατά την διαδρομή τα μηνύματα μπορεί να χάσουν κύκλους sleep και έτσι διαφορετικά μέρη του δικτύου να είναι σε διαφορετικά schedules. Page 52 Ενέργεια vs. Καθυστέρηση και Ρυθμαπόδοση. Τώρα εξετάζονται οι ανταλλαγές που κάνει το S MAC μεταξύ ενέργειας, καθυστέρησης και ρυθμαπόδοσης. Το S MAC μειώνει την κατανάλωση ενέργειας αλλά αυξάνει την καθυστέρηση οπότε έχει έτσι μειωμένη ρυθμαπόδοση. Για την αξιολόγηση της γενικής απόδοσης, συγκρίνεται η συνδυασμένη επίδραση της κατανάλωσης ενέργειας και της μειωμένης ρυθμαπόδοσης υπολογίζοντας το κόστος/bit της ενέργειας και του χρόνου μέχρι να περάσουν τα δεδομένα από την πηγή στον δέκτη. Η Εικόνα 4.9 παρουσιάζει τα αποτελέσματα κάτω από διαφορετικούς φόρτους κυκλοφορίας. Φαίνεται ότι για βαρύ φόρτο κυκλοφορίας (στα αριστερά), η προσαρμοστική ακρόαση και η κατάσταση no sleep δείχνουν στατιστικά ισοδύναμες αποδόσεις που είναι αρκετά καλύτερες απ ότι αν είναι σε κατάσταση sleep χωρίς προσαρμοστική ακρόαση. Με ελαφρύτερο φόρτο, το κόστος ενέργειας χρόνου χωρίς κατάσταση sleep υπερβαίνει γρήγορα το κόστος των μεθόδων sleep. Άρα, η περιοδική κατάσταση sleep παρέχει άριστη απόδοση με ελαφρύ φορτίο. Επίσης η προσαρμοστική ακρόαση είναι σε θέση να προσαρμοστεί στην κυκλοφορία και να επιτύχει τόσο καλή απόδοση, όση και στην κατάσταση no sleep με βαρύ φόρτο. Επομένως, η S MAC με προσαρμοστική ακρόαση είναι μια καλή επιλογή για τα δίκτυα αισθητήρων. Εικόνα 4.9 Κόστος Ενεργείας Χρόνου (1 + A.F.)

53 Page 53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ V ΑΣΦΑΛΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ 5.1 Πρώτη Επαφή Αντιθέτως από τα παραδοσιακά δίκτυα (π.χ.ip), η ασφαλή μετάδοση δεδομένων στα WSN δεν έχει προχωρήσει πολύ. Αυτή η μικρή πρόοδος είναι λογική αφού στις περισσότερες εφαρμογές η περιστασιακή απώλεια πληροφορίας είναι ανεκτή (π.χ. στην μέτρηση θερμοκρασίας περιβάλλοντος ή στον εντοπισμό ζώων). Οι προκλήσεις όμως στην επίτευξη ασφαλής μετάδοσης είναι αρκετές. Για παράδειγμα, στην περίπτωση που χρειάζεται ο επαναπρογραμματισμός κάποιας ομάδας κόμβων, απαιτείται η ομαδική επικοινωνία, η φόρτωση σε όλους του καινούριου κώδικα και τέλος η μετάβαση στην νέα εφαρμογή με ελεγχόμενο τρόπο. Επίσης, αν και η μεταφορά της πληροφορίας από τον κόμβο στην πηγή μπορεί να έχει ανεκτικότητα σε κάποιες απώλειες, η μεταφορά από την πηγή προς τον κόμβο πρέπει να τηρεί υψηλά επίπεδα εγκυρότητας. Επομένως χρειάζεται η ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου που να μπορείτε να χρησιμοποιείται και από τους πιο απλούς κόμβους για να προστατεύει τη πληροφορία από την αναξιόπιστη φύση του περιβάλλοντος χρήσης των WSN. Ένα υποσχόμενο πρωτόκολλο μετάδοσης είναι το PSFQ (Pump Slowly, Fetch Quickly δηλ. Αργή Άντληση, Γρήγορη Παραλαβή). Πρόκειται για μια απλή προσέγγιση με ελάχιστες απαιτήσεις υποδομής δρομολόγησης και επικοινωνίας που όμως ανταποκρίνεται με επιτυχία σε καταστάσεις επιρρεπείς στα σφάλματα. 5.2 Σχεδίαση Πρωτοκόλλου Η βασική ιδέα γύρω από το PSFQ είναι η διανομή των δεδομένων από ένα κόμβο πηγή με σχετικά χαμηλή ταχύτητα (Pump Slowly) που θα επιτρέπει όμως και σε κόμβους που παρουσιάζουν απώλειες στην λήψη, να λάβουν από γειτονικούς κόμβους μέρη της πληροφορίας που λείπουν με γρήγορη ταχύτητα (Fetch Quickly). Οι κόμβοι αντιλαμβάνονται τυχόν απώλειες όταν το μήνυμα που παραλαμβάνουν έχει μεγαλύτερο αύξων αριθμό από αυτόν που αναμενόταν. Το σύστημα αυτό ισοδυναμεί με σύστημα αρνητικής αναγνώρισης (negative acknowledgement). Επιδίωξη του PSFQ είναι: Η εξασφάλιση παράδοσης όλων των πακέτων δεδομένων προς όλους τους ενδιαφερόμενους κόμβους με ελάχιστη υποστήριξη από την υποκείμενη υποδομή μεταφοράς. Η ελαχιστοποίηση του αριθμού εκπομπών προς ανίχνευση απωλειών και διαδικασιών ανάκτησης τους. Η σωστή λειτουργία ακόμα και σε περιβάλλον όπου η ποιότητα ραδιοεπικοινωνίας είναι φτωχή. Η παροχή χαλαρών ορίων καθυστέρησης στην παράδοση των δεδομένων.

54 Page Ανάκαμψη Σφάλματος σε κάθε Αναπήδηση Το μεγαλύτερο πρόβλημα στην ανάκτηση πληροφορίας στα WSN είναι ότι συνήθως λειτουργούν σε περιβάλλον που δυσκολεύουν τις ραδιοεπικοινωνίες και βασίζονται σε τεχνικές πολλαπλών αναπηδήσεων για δρομολόγηση των μηνυμάτων. Αν π.χ. η πιθανότητα απώλειας πακέτου σε ένα ασύρματο κανάλι είναι p, τότε η πιθανότητα επιτυχούς αποστολής σε μια αναπήδηση είναι 1 p. Δηλαδή σε n αναπηδήσεις το ποσοστό επιτυχίας πέφτει δραματικά στο (1 p) n. Σε ασύρματα δίκτυα LAN, όπως το IEEE , το ποσοστό επιτυχίας είναι ψηλό (πάνω από 90%). Στα WSN όμως είναι αδύνατο λόγω περιορισμών στην σχεδίαση τους οι οποίες απαιτούν την χρήση επικοινωνίας RF χαμηλής ισχύος και άρα η ενίσχυση του σήματος για αύξηση της αξιοπιστίας δεν είναι εφικτή. Διέξοδο στο πρόβλημα αυτό προσφέρει η τεχνική ανάκαμψης σφάλματος σε κάθε αναπήδηση. Έτσι η πιθανότητα επιτυχούς αποστολής παραμένει (1 p) για όλο το δίκτυο. Επίσης η χρήση ενδιάμεσων κόμβων για ανίχνευση σφαλμάτων (π.χ. παρακολούθηση πακέτων που προωθούν), δεν ανεβάζει την πολυπλοκότητα του δικτύου αφού τις περισσότερες φορές η πληροφορία έχει ως τελικό στόχο μια ομάδα από κόμβους Σχέση Pump/Fetch Σε ένα σύστημα αρνητικής αναγνώρισης η καθυστέρηση στο δίκτυο είναι ανάλογη των αναμενόμενων επανεκπομπών που χρειάζονται για επιτυχή επικοινωνία. Μια προσέγγιση στη αύξηση του ποσοστού επιτυχίας είναι η πολλαπλή επανεκπομπή του πακέτου n πριν σταλεί το επόμενο n+1. Για το υπολογισμό του βέλτιστου αριθμού επανεκπομπών χωρίς να θυσιάζονται μεγάλα ποσά ενέργειας, χρησιμοποιείται ένα απλό μοντέλο. Αν το ποσοστό αποτυχίας είναι p, αποδεικνύετε ότι σε ένα σύστημα αρνητικής αναγνώρισης το ποσοστό επιτυχούς αποστολής μεταξύ δυο κόμβων που επιτρέπει n επανεκπομπές υπολογίζεται από τις: (1 p)+pxω(n) Ω(n)=Φ(1)+ Φ(2)+ + Φ(n) Φ(n)=(1 p) 2 x[1 p Φ(1) Φ(2) Φ(n 1)], Φ(0)=0. όπου Ω(n): η πιθανότητα επιτυχούς ανάκαμψης πακέτου εντός n επανεκπομπών. Φ(n): η πιθανότητα επιτυχούς ανάκαμψης πακέτου στην n επανεκπομπή Πολύμορφες Λειτουργίες Η λειτουργία PSFQ έχει σχεδιαστεί για πολύμορφες λειτουργίες παρέχοντας μια αρμονική ανταλλαγή μεταξύ της κλασικής μεθόδου αποστολής πακέτου και των εφαρμογών επικοινωνίας αποθήκευσης αποστολής. Αυτή η επιλογή δικαιολογείται από την Εικόνα 5.1 όπου απεικονίζεται ένα παράδειγμα απώλειας σε αποστολή μηνύματος προς τους κόμβους. Στην περίπτωση απώλειας πακέτου θα ενεργοποιηθεί ο μηχανισμός ανάκαμψης από γειτονικούς κόμβους με την εκπομπή μηνύματος NACK αλλά θα χρειαστεί αρκετή επιπρόσθετη ενέργειας. Υπάρχει ωστόσο η πιθανότητα για Εικόνα 5.1 Απώλεια Πακέτου (A.F.)

55 Page 55 ορισμένους κόμβους (B και Γ) να μην υπάρχουν γειτονικοί κόμβοι με το συγκεκριμένο πακέτο, οπότε τα πακέτου ελέγχου που σχετίζονται με την λειτουργία FETCH εκπέμπονται άδικα. Έτσι είναι αναγκαία η επιβεβαίωση ότι οι ενδιάμεσοι κόμβοι μεταβιβάζουν μηνύματα με ακολουθία από συνεχόμενους σειριακούς αριθμούς. Δηλαδή, ο κόμβος Α δεν πρέπει να εκπέμψει το πακέτο #4 μέχρι να ανακάμψει επιτυχώς το πακέτο #3. Έτσι χρειάζεται κρυφή μνήμη (cache) για την αποθήκευση και των δυο πακέτων #3 και #4, ώστε να εξασφαλιστεί η σειριακή μεταβίβαση των πακέτων και η πλήρης ανάκαμψη κατά την διάρκεια της λειτουργίας FETCH. Έτσι αυτός ο μηχανισμός αποτρέπει την αύξηση χαμένων πακέτων και την χρήση μη αναγκαίων λειτουργιών FETCH και βοηθά γενικά στην ποιότητα του καναλιού. Η λειτουργία περιορισμού των απωλειών τοπικά και η μη εκπομπή πακέτων με μεγαλύτερο αύξων αριθμό μέχρι να ανακτηθεί πρώτα το προηγούμενο πακέτο, εμφανίζει ομοιότητες με εκείνη της αποθήκευσης αποστολής. Το τελευταίο όμως παρουσιάζει μεγάλους χρόνους καθυστέρησης ακόμα και σε περιβάλλον που δεν είναι επιρρεπή σε σφάλματα. Έτσι το PSFQ υιοθετεί τον μηχανισμό προώθησης πολλαπλών αναπηδήσεων στην λειτουργία PUMP σε διαστήματα με χαμηλές απωλειών. Βλέπουμε εδώ την πολυμορφική λειτουργία του PSFQ. Δηλαδή, όταν παρουσιάζονται πολλές απώλειες λειτουργεί παρόμοια με ένα σύστημα αποθήκευσης αποστολής, ενώ όταν οι απώλειες είναι λίγες προωθεί τα πακέτα με πολλαπλές αναπηδήσεις. 5.3 Περιγραφή Πρωτοκόλλου Το PSFQ αποτελείται από τρείς λειτουργίες: Προώθηση μηνυμάτων (PUMP), Ανάκαμψη σφάλματος (FETCH) και Επιλεκτική αναφορά κατάστασης (Report). Σημαντικό στοιχείο είναι και η ενημέρωση της πηγής για το πότε οι παραλήπτες έχουν λάβει την πληροφορία. Οπότε είναι αναγκαία η ενσωμάτωση μηχανισμού ελέγχου και αναφοράς, ο οποίος θα είναι ευέλικτος (π.χ. προσαρμοστικός στο περιβάλλον) και αναβαθμίσιμος (π.χ. ελαχιστοποίηση πληροφορίας) Λειτουργία PUMP To PSFQ δεν είναι λύση για την δρομολόγηση αλλά ένα σχέδιο μεταφοράς. Στην περίπτωση που ο παραλήπτης είναι μόνο ένας κόμβος, το SPFQ μπορεί να δουλέψει πάνω από τα ήδη υφιστάμενα σχήματα δρομολόγησης ή διάδοσης δεδομένων, για αξιόπιστη μετάδοση. Ένας κόμβος διανομής (κόμβος που διανέμει τα τμήματα κώδικα), χρησιμοποιεί μεθόδους βασιζόμενους σε TTL (Time To Live: χρονικό όριο επανεκπομπών ενός πακέτου εωσότου απορριφθεί) για έλεγχο στις αλλαγές λειτουργίας του. Επίσης δημιουργείται μια κρυφή μνήμη στους ενδιάμεσους κόμβους για ανάκαμψη από απώλειες και παράδοση δεδομένων με σειριακή συνέχεια. Στην λειτουργία PUMP ορίζεται και το μήνυμα εμβολής το οποίο έχει τέσσερα πεδία ως header (το αρχικό μέρος κάθε μηνύματος): Ταυτότητα Αρχείου, Μήκος Αρχείου, Αύξων Αριθμός και TTL. Το υπόλοιπο μήνυμα μεταφέρει κομμάτι από τα δεδομένα (τμήμα κώδικα). Η λειτουργία PUMP ελέγχει: Συγχρονισμένη διάδοση κώδικα επαναπρογραμματιστούν προς κόμβους. Έλεγχο ροής ώστε ο επαναπρογραμματισμός να μην πιέσει τις λειτουργίες του δικτύου. Μείωση κατανάλωσης ενέργειας αποφεύγοντας πλεονάζουσες εκπομπές και συγκρούσεις πακέτων. Περιορισμό σε μόνο τοπικές απώλειες ώστε να μην υπάρξει περεταίρω διάδοση των σφαλμάτων.

56 Page Χρονιστές PUMP Για τον καλύτερο προγραμματισμό στην προώθηση δεδομένων υιοθετούνται δυο χρονιστές: Τ min και T max. Ένας κόμβος διανομής εκπέμπει ένα πακέτο στους γειτονικούς του κόμβους ανά Τ min μέχρι να σταλούν όλα τα τμήματα του κώδικα. Εν τω μεταξύ κάθε γειτονικός κόμβος που λαμβάνει το πακέτο, το συγκρίνει με τα δεδομένα στην κρυφή του μνήμη απορρίπτοντας εκείνα που ήδη έχει. Αν είναι νέο πακέτο, το αποθηκεύει στην κρυφή μνήμη και μειώνει το πεδίο TTL κατά 1. Αν η τιμή του TTL δεν είναι μηδενική και δεν υπάρχει κενό στην αριθμητική σειρά των πακέτων, τότε το PSFQ προγραμματίζει την προώθηση του μηνύματος (χρόνος καθυστέρησης = μεταξύ Τ min και T max ). Ο χρόνος αυτός ορίζεται τυχαία ώστε να αποφεύγονται οι συγκρούσεις Η κρυφή μνήμη έχει αρκετές πιθανές χρήσεις, όπως η αποφυγή βρόγχων αφού απορρίπτεται ένα μήνυμα αν είναι διπλό. Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που ορίζουν τον χρόνο Τ min : Η ανάγκη αποθήκευσης των χρόνων για τοπική ανάκαμψη πακέτου που χάθηκε. Ένας κόμβος θα έχει την ευκαιρία να πάρει το πακέτο που έχασε από ένα άλλο γειτονικό κόμβο πριν περάσει ο χρόνος Τ min όπου και θα πρέπει να είναι έτοιμος να παραλάβει το επόμενο πακέτο. Η μείωση εκπομπών περίσσειας πληροφορίας. Επειδή η εκπομπή γίνεται προς όλους τους κόμβους που είναι εντός εμβέλειας, θα υπάρξουν αρκετές περιπτώσεις στις εκπομπές που θα ακολουθήσουν που το πακέτο θα είναι ήδη αποθηκευμένο στην κρυφή μνήμη κόμβων. Ο χρόνος Τ min δίνει την ευκαιρία σε ένα κόμβο να ακούσει αν εκπέμπετε το ίδιο μήνυμα και από γειτονικούς κόμβους, πριν το προωθήσει και ο ίδιος. Οι φορές που ακούγεται το ίδιο μήνυμα μετρούνται και αν φτάσει τις 4 φορές πριν έρθει η σειρά του να το εκπέμψει, ακυρώνει την μετάδοση γιατί το κόστος σε ενέργεια θα ξεπεράσει αρκετά το κέρδος από αν το εκπέμψει και αυτός. Όσο για τον χρόνο Τ max, μπορεί να αυξομειώνεται στατιστικά για να δίνει την ευκαιρία να ληφθεί και το τελευταίο κομμάτι του κώδικα. Θεωρώντας ότι όλα τα χαμένα πακέτα έχουν ανακτηθεί εντός του Τ max, τότε η σχέση μεταξύ του περιθωρίου καθυστέρησης D(n) και Τ max είναι: D(n) = Τ max x n x (Αριθμός αναπηδήσεων), n: αριθμός τμημάτων ενός αρχείου Λειτουργία FETCH Στα WSN, οι απώλειες οφείλονται κατά κύριο λόγο στην χαμηλή ποιότητα της ασύρματης σύνδεσης αφού τις περισσότερες φορές το περιβάλλον εφαρμογής τους είναι άκρως απρόβλεπτο. Ένας κόμβος εκτελεί λειτουργία FETCH όταν εντοπιστεί απώλεια στην σειρά των τμημάτων ενός αρχείου. Δηλαδή ζητάει από γειτονικούς κόμβους την επανεκπομπή του τμήματος που λείπει. Το PSFQ χρησιμοποιεί την έννοια της συνάθροισης απωλειών όταν εντοπίζετε απώλεια, οπού επιχειρεί την ανάκτηση όλων των μηνυμάτων που χάθηκαν σε ένα μόνο κύκλο FETCH (αν δυνατό) Συνάθροιση Απωλειών Υπάρχουν διάφορες σκέψεις που σχετίζονται με την συνάθροιση των απωλειών.

57 Page 57 Μια σκέψη αφορά τις εκρήξεις απωλειών. Δηλαδή λόγω του ότι οι απώλειες συσχετίζονται με τον χρόνο, συνήθως παρουσιάζονται σε παρτίδες. Έτσι το PSFQ, βλέποντας το σύνολο απωλειών, δημιουργεί ένα χρονικό παράθυρο κατά το οποίο επαναφέρει τα χαμένα πακέτα. Μια δεύτερη σκέψη είναι η πιθανότητα κάθε γειτονικός κόμβος να έχει ανακτήσει μόνο ένα μέρος των χαμένων πακέτων κατά την διάρκεια του παραθύρου. Το PSFQ όμως επιτρέπει την επαναφορά διαφορετικών τμημάτων από διαφορετικούς γειτονικούς κόμβους και για την αποφυγή εκπομπής πλεονάζουσας πληροφορίας, κάθε κόμβος περιμένει για τυχαίο χρονικό διάστημα μέχρι να εκπέμψει το τμήμα της πληροφορίας που έχει. Έτσι κάθε κόμβος που ακούει ότι κάποιος άλλος κόμβος έχει εκπέμψει το ίδιο τμήμα κώδικα, ακυρώνει την εκπομπή του. Τρίτη σκέψη είναι ότι σε περιβάλλον που δυσκολεύει τις ράδιο επικοινωνίες, θα υπάρξουν και απώλειες στις επανεκπομπές ή ακόμα και στα μηνύματα FETCH. Οπότε συνηθίζεται να υπάρχουν πολλαπλά κενά σε συγκεκριμένα πακέτα. Η συνάθροιση τέτοιων πολλαπλών παραθύρων που παρουσιάζουν αυτό το πρόβλημα αυξάνει την πιθανότητα επιτυχημένης επαναφοράς εφόσον εάν ένα μήνυμα FETCH ακουστεί από ένα γειτονικό κόμβο, όλα τα χαμένα τμήματα μπορούν να εκπεμφθούν από αυτόν τον γειτονικό κόμβο Μηνύματα NACK Στην λειτουργία FETCH υπάρχει και το μήνυμα NACK το οποίο ζητάει την επανεκπομπή από γειτονικούς κόμβους και αποτελείται από τουλάχιστο 3 πεδία: i. Ταυτότητα. ii. iii. Μήκος. Παράθυρο απωλειών. Για παράδειγμα, αν ένας κόμβος πάρει σειρά πακέτων με αριθμούς (3,5,6,9,11), από τα 3 κενά θα δημιουργηθούν και τα αντίστοιχα 3 παράθυρα δηλ. (4,4), (7,8) και (10,10) Χρονόμετρο Fetch Όταν βρίσκεται σε λειτουργία FETCH, αν μετά από την αποστολή ενός NACK δεν υπάρξει απάντηση ή λάβει μόνο μέρος του τμήματος που ζήτησε ένας κόμβος εντός της περιόδου T r (T r < T max, ορίζει δηλαδή τον λόγο μεταξύ PUMP και FETCH), επανεκπέμπει το NACK ανά T r (με μικρές αυξομειώσεις για αποφυγή συγχρονισμού με γειτονικούς κόμβους) έως ότου πάρει όλα τα χαμένα πακέτα ή μέχρι που ο αριθμός επανεκπομπών ξεπεράσει κάποιο ανώτατο όριο. Το πρώτο NACK προγραμματίζεται να σταλεί εντός μικρού χρονικού ορίου (από 0 έως Δ, Δ<<T r ) εκτός και αν ακυρωθεί επειδή άκουσε ότι υπάρχει ήδη NACK για το συγκεκριμένο τμήμα. Επειδή όμως το Δ είναι πολύ μικρός χρόνος, είναι δύσκολο να ακυρωθεί έγκαιρα. Γενικά οι επανεκπομπές που οφείλονται σε NACK δεν εγγυούνται ότι θα ακουστούν από τον κόμβο που ακύρωσε το πρώτο του NACK. Στην καλύτερη περίπτωση υπάρχει 40% πιθανότητα να λάβει την επανεκπεμπόμενη πληροφορία σε τέτοιες συνθήκες. Για να μην υπάρξει κατάρρευση του μηνύματος, τα μηνύματα NACK δεν διαδίδονται. Επειδή κάθε κόμβος αποθηκεύει προσωρινά τα προηγούμενα πακέτα που έστειλε, η πιθανότητα ένας γειτονικού κόμβου να μην έχει το ζητούμενο πακέτο που χάθηκε είναι μικρή. Έτσι όταν όλος ο κώδικας μεταδοθεί σωστά οι κόμβοι διαγράφουν όλα τα αποθηκευμένα δεδομένα από τις κρυφές τους μνήμες. Κάθε κόμβος που λαμβάνει ένα μήνυμα NACK, ελέγχει το πεδίο Παράθυρο απωλειών. Αν βρει το χαμένο τμήμα στην κρυφή του μνήμη, προγραμματίζει την εκπομπή του σε τυχαίο χρόνο μεταξύ ¼T r και ½T r. Στην περίπτωση που το παράθυρο περιλαμβάνει περισσότερα του ενός τμήματος ή υπάρχουν

58 Page 58 περισσότερα του ενός παράθυρα, οι γειτονικοί κόμβοι που έχουν αυτά τα τμήματα θα προγραμματίσουν να τα στείλουν σε σειρά και με ταχύτητα που δεν θα ξεπερνάει το ένα τμήμα ανά ¼T r Προληπτικό Fetch Η λειτουργία Fetch που αναφέρεται πιο πάνω εντοπίζει απώλειες μόνο όταν λαμβάνεται πακέτο με αύξον αριθμό μεγαλύτερο από αυτόν που αναμενόταν. Αυτή η λειτουργία όμως έχει και τα αρνητικά της όταν π.χ. χαθεί το τελευταίο κομμάτι του αρχείου. Ο κόμβος που λαμβάνει το αρχείο αυτό δεν θα αντιληφτεί την απώλεια αφού δεν πρόκειται να ακολουθήσει πακέτο με αύξον αριθμό μεγαλύτερο από αυτόν που αναμενόταν. Για την αντιμετώπιση τέτοιων προβλημάτων, ο μηχανισμός PSFQ υποστηρίζει την λειτουργία Προληπτικού Fetch. Δηλαδή αν το τελευταίο τμήμα χαθεί, ο κόμβος στέλνει μήνυμα NACK για το επόμενο τμήμα ή τα εναπομείναντα τμήματα και σταματάει η αποστολή πακέτων μετά από περίοδο T pro. Η επιλογή αυτής της περιόδου γίνεται βάση δύο παραμέτρων: Πρέπει να είναι ανάλογη της διαφοράς μεταξύ του τελευταίου πακέτου που λήφθηκε (S last ) και του τελευταίου πακέτου του αρχείου (S max ). Για παράδειγμα T pro =α*(s max S last )*T max (α 1) όπου α: παράγοντας προσαρμογής της καθυστέρησης ενεργοποίησης του Προληπτικού Fetch (α=1 για περιβάλλον χαμηλών απωλειών, α>1 αναλόγως όσο αυξάνονται και οι απώλειες). Αυτή η ερμηνεία της περιόδου T pro εγγυείται ότι ο κόμβος θα είναι σε αναμονή για αρκετό χρόνο ώστε να λάβουν οι κόμβοι όλα τα τμήματα του αρχείου και μετά να μπει στην λειτουργία Προληπτικού Fetch. Επίσης δίνει την δυνατότητα στον κόμβο να ξεκινήσει πιο σύντομα Προληπτικό Fetch αν είναι πιο κοντά στο τέλος του αρχείου ή να περιμένει αν απέχει περισσότερο από το τέλος απ ότι οι υπόλοιποι κόμβοι Λειτουργία Αναφοράς Το PSFQ υποστηρίζει επίσης την λειτουργία αναφορών προς ενημέρωση του χρήστη για την κατάσταση παράδοσης των δεδομένων. Φυσικά στα ασύρματα δίκτυα η εξοικονόμηση ενέργειας όταν η πληροφορία στέλλεται σε ένα μεγάλο μήνυμα είναι μεγαλύτερη απ ότι αν σταλεί σε περισσότερα και πιο μικρά μηνύματα. Έτσι και στο PSFQ, όταν ο χρήστης ζητήσει αναφορά κατάστασης το μήνυμα ξεκινάει από τον πιο απόμακρο κόμβο και σε κάθε αναπήδηση ο κάθε κόμβος προσθέτει στο μήνυμα την δική του αναφορά Μήνυμα Αναφοράς Στην αρχή του μηνύματος είναι το πεδίο όπου ορίζεται η ταυτότητα του κόμβου στον οποίο θα αναμεταδοθεί στην επόμενη αναπήδηση. Το υπόλοιπο μήνυμα αποτελείται από τις ταυτότητες και την κατάσταση των κόμβων από όπου έχει ήδη περάσει Χρονιστές Αναφοράς

59 Page 59 Όταν ο χρήστης θέλει να ζητήσει αναφορά από τους κόμβους, στέλνει ένα μήνυμα στο οποίο το Μπιτ Αναφοράς του πεδίου TTL έχει ενεργοποιηθεί. Για την μείωση των μηνυμάτων αναφοράς που θα παραχθούν, απαντάνε αρχικά μόνο οι πιο απόμακροι κόμβοι (Για τον προσδιορισμό των απόμακρων κόμβων, χρησιμοποιείται η τιμή του TTL). Τα μηνύματα μετά διαδίδονται στους κόμβους γονείς σε τυχαίο χρόνο (μεταξύ (0,Δ)). Κάθε κόμβος περιμένει για περίοδο χρόνου T report =T max x TTL + Δ για να πάρει το μήνυμα αναφοράς ώστε να προσθέσει την ταυτότητα του και την αναφορά και μετά να το μεταδώσει στον επόμενο κόμβο. Στην περίπτωση που ένας κόμβος βρει την ταυτότητα του στο μήνυμα, το αγνοεί. Αν περάσει η χρονική περίοδος T report και δεν παραλάβει το μήνυμα, θα δημιουργήσει ένα καινούργιο και θα το μεταδώσει στον κόμβο γονέα. Επίσης αν το δίκτυο είναι αρκετά μεγάλο υπάρχει η περίπτωση το μήνυμα να μην έχει άλλο χώρο ώστε να προσθέσει ο επόμενος κόμβος στοιχεία, οπότε και πάλι θα δημιουργήσει ένα καινούργιο μήνυμα αναφοράς και θα το μεταδώσει πριν από αυτό που δεν έχει χώρο. Έτσι εξασφαλίζετε ότι ο γονέας κόμβος δεν θα δημιουργήσει και αυτός ένα αχρείαστο καινούριο μήνυμα. 5.4 Απόδοση Η απόδοση του PSFQ έχει ελεγχτεί με εξομοιώσεις σε επίπεδο πακέτων και έχει αποδειχτεί ότι η αποστολή των δεδομένων γίνεται αξιόπιστα, ακόμη και σε συνθήκες επιρρεπές σε σφάλματα. Εκτός από τη ανοχή του στα σφάλματα, παρουσιάζει επίσης πολύ καλούς χρόνους παράδοσης πακέτων όπως και ποσοστών αποστολής συνολικού αριθμού μηνυμάτων ανά λαμβανόμενου μηνύματος από ένα κόμβο. Τέτοιες αποδόσεις είναι δύσκολα εφικτές από άλλες προσεγγίσεις. Αναγνώριση WIRELESS SENSOR (ACK) στις NETWORKS επικοινωνίες (G.I. + A.F.)

60 Page 60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VI Ποιότητα Υπηρεσίας (QoS) 6.1 Πρώτη Επαφή Ο προσδιορισμό της συνεργασίας μεταξύ των κόμβων για την επίτευξη ενός στόχου εξαρτάται από αρκετά κριτήρια τα οποία θα συνθέτουν και το συγκεκριμένο μοντέλο. Το πιο σημαντικό κριτήριο στο σχεδιασμό οποιουδήποτε δικτύου είναι η διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας (QoS). Το εύρος ζώνης, η καθυστέρηση και οι απώλειες είναι τα σημεία τα οποία ορίζουν το QoS και καθορίζονται αναλόγως της πληροφορίας που μεταφέρεται. Κάποια προβλήματα που αντιμετωπίζονται (Εικόνα 6.1) είναι: i. Η εξαγωγή των παραμέτρων στα συνεχή φαινόμενα κάποιας περιοχής: η δυσκολία επιλογής της πυκνότητας των κόμβων για συγκέντρωση επαρκών στοιχείων. Πιθανή χρήση προσαρμοζόμενης εγκατάστασης (άρα εισαγωγή καθυστερήσεων) ή στρατηγικής ενεργοποίησης κόμβων (άρα αυξημένη χρήση πόρων). ii. Ο καθορισμός των παραμέτρων πηγών (π.χ. τοποθεσία, είδος): η δυσκολία προσδιορισμού της πυκνότητας των κόμβων γύρω από την πηγή και του μεγέθους των συστάδων (clusters) συνεργασίας. Πιθανή χρήση προσαρμοζόμενων διεργασιών (άρα εισαγωγή καθυστερήσεων). iii. Πηγές που βρίσκονται εκτός του δικτύου: προς αποφυγή άσκοπης κατανάλωσης ενέργειας χρειάζονται μέσα που θα περιορίσουν τις συστάδες συλλογής των δεδομένων. Εικόνα 6.1 Προβλήματα Δικτύου Αισθητήρων (2 + A.F.)

61 Page Πιστότητα και Συμβιβασμοί στα Επίπεδα Δίκτυα Θεωρία Πληροφορίας Δικτύου Το πρόβλημα παραμόρφωσης της πληροφορίας στα WSN εξαρτάται σε θεμελιώδες επίπεδο από την θεωρία πληροφορίας (Information Theory: ποσοτικοποίηση της πληροφορίας) δικτύου, δηλ. την μέγιστη συμπίεση και τον ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας. Η της θεωρία πληροφορίας έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στις επικοινωνίες point to point, αλλά η ανάπτυξη της είναι αρκετά περιορισμένη στα δίκτυα πολλαπλών αναπηδήσεων λόγω δυσκολιών όπως ο υπολογισμός χωρητικότητας σε μεγάλα δίκτυα. Σε αυτές τις περιπτώσεις μπορούν να εφαρμοστούν διάφορες τιμές του QoS σε κάθε επικοινωνία, αυξάνοντας έτσι τον αριθμό αποδεκτών λύσεων. Χρειάζονται δηλαδή κάποια ερευνητικά βήματα: i. Η δημιουργία ιεραρχίας εμποδίων για έλεγχο της πολυπλοκότητας. ii. Και μετά η εισήγηση πρωτοκόλλων σε κάθε επίπεδο για αντιμετώπιση των διαφόρων τιμών του QoS, των φυσικών πόρων και των μοντέλων κυκλοφορίας. Αυτή η προσέγγιση δίνει την επιλογή επαναχρησιμοποίησης των συνιστωσών, ακόμη και μετά από αλλαγές στις συνθήκες/στόχους. Θεωρία Πληροφορίας One Hop Τα δύο βασικά ερωτήματα στην κλασική θεωρία πληροφορίας είναι: Χωρητικότητα Καναλιού: Ποιος ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς πληροφορίας με γνωστά όρια ισχύος, εύρους ζώνης και σφάλμα ρυθμαπόδοσης και θορύβου στο κανάλι; Πηγαία Κωδικοποίηση: Ποιο το ποσοστό ελάχιστης περιγραφής τυχαίας διεργασίας (διακριτής ή συνεχούς) ώστε να αναπαραχθεί από αυτή την περιγραφή (πηγαία κωδικοποίηση χωρίς θόρυβο) ή με κάποιες οριακές παραμορφώσεις (κωδικοποίηση παραμορφωμένης ρυθμαπόδοσης); Με οδηγό τα ποιο πάνω, έχει γίνει μεγάλη πρόοδος στα συστήματα επικοινωνίας point to point, many to one και one to many: Έχουν επινοηθεί συστήματα κωδικοποίησης Gaussian καναλιού με πολύ χαμηλό SNR σε σχέση με την χωρητικότητα του καναλιού. Μέθοδοι που δεν έχουν απώλειες εφαρμόζονται σε πηγαίες κωδικοποιήσεις αποδίδοντας εντροπία συγκρίσιμη με εκείνη των συστημάτων μίας πηγής. Η κωδικοποίηση Slepian Wolf επιτρέπει ξεχωριστή κωδικοποίηση χωρίς απώλειες για πολλαπλές πηγές για επίτευξη του ορίου εντροπίας. Στην κωδικοποίηση Wyber Ziv όπου υπάρχουν απώλειες ρυθμαπόδοση, μια δεύτερη πηγή παρέχει πληροφορίες για την πρωτεύουσα πηγή (π.χ. συσχετιζόμενα δεδομένα κόμβων) προς μείωση της συνολικής πληροφορίας. Επικοινωνία Unicast (με ένα σημείο) σε Ad Hoc Δίκτυα Σε τέτοια δίκτυα, η πηγή και κόμβος προορισμού ανταλλάσουν αυτόνομα μηνύματα. Οι κόμβοι μπορούν να συνεργαστούν σε εκπομπές, λήψεις και αναμεταδόσεις μηνυμάτων αλλά υπάρχει το ενδεχόμενο μείωσης του QoS από πιθανές παρεμβολές μεταξύ επικοινωνιών εντός του δικτύου. Υπάρχει δηλαδή ένας συνδυασμός αναμεταδόσεων παρεμβολών εκπομπών και καναλιών πολλαπλής πρόσβασης. Οι χωρητικότητα από αναμεταδόσεις και παρεμβολές είναι άγνωστη αλλά είναι γνωστά τα άνω όρια όσον αφορά την επεκτασιμότητα των δικτύων. Για ένα δίκτυο με ομοιόμορφη επικοινωνία πηγής παραλήπτη, η απώλεια ισχύος σήματος είναι ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης (d k ), όπως

62 Page 62 είναι και η διαθέσιμη συνολική χωρητικότητα ανά ζεύγος πηγής παραλήπτη για καθορισμένο εύρος εκπομπής. Αν και σε εφαρμογές όπως οι συστοιχίες κεραιών και οι επικοινωνίες συνεργασίας βελτιώνουν την επικοινωνία στο δίκτυο, δεν είναι επαρκή ώστε το δίκτυο να είναι επεκτάσιμο. Στο μοντέλο τυχαίου γραφήματος (Random Graph: Γράφημα τυχαίας διαδικασία) γίνεται η παραδοχή ότι η ποιότητα σύνδεσης μεταξύ κόμβων δεν ακολουθεί ένα απλό γεωμετρικό κανόνα. Η χωρητικότητα εξαρτάται από το συγκεκριμένο μοντέλο που επιλέχθηκε για την ποιότητα επικοινωνίας το οποίο και έχει μια μικρή πιθανότητα να επιφέρει επεκτασιμότητα. Αν η διανομή μεταξύ πηγή παραλήπτη είναι εξαιρετικά ασταθείς, τα όρια μπορούν να περιοριστούν. Για παράδειγμα, αν στο δίκτυο η μέση απόσταση μεταξύ πηγής και παραλήπτη παραμένει μικρή καθώς το δίκτυο επεκτείνεται, η ρυθμαπόδοση ανά κόμβο θα είναι σε επίπεδα Θ( n=1), όπου Θ είναι η μέση απόσταση και n είναι αριθμός των γειτονικών κόμβων. Αν και η Επικοινωνία Συνεργασίας είναι ανεπαρκής για να επιφέρει επεκτασιμότητα, μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές βελτιώσεις στην χωρητικότητα κάθε ζεύξης με αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού εύρεσης διαδρομών εντός του δικτύου σε επίπεδα που να ικανοποιούν της απαιτήσεις του QoS. Για παράδειγμα, στην Εικόνα 6.2, μεταξύ των δυο συστάδων υπάρχει μία απόσταση επικοινωνίας. Η συστάδα εκπομπών ανιχνεύει το γεγονός και τα δεδομένα πρέπει μετά να μεταφερθούν στον προορισμό. Ένα σενάριο συνεργασίας είναι η ύπαρξη δυο ανεξάρτητων εκπομπών και δυο ανεξάρτητων παραληπτών. Για να είναι όμως υλοποιήσιμη η ιδέα, οι αποστάσεις μεταξύ των δυο συστάδων πρέπει να είναι αρκετά μεγαλύτερες από τις αποστάσεις εντός των συστάδων. Εικόνα 6.2 Επικοινωνία Συνεργασίας σε WSN (A.F.) Κωδικοποίηση Καναλιού Δικτύου Στα προηγούμενα σενάρια θεωρήθηκαν δεδομένες οι παρεμβολές μεταξύ ανεξαρτήτων ροών επικοινωνίας οι οποίες περιόριζαν και την χωρητικότητα. Στην κωδικοποίηση καναλιού όμως αξιοποιείται η ικανότητα συνδυασμού των ροών πληροφορίας. Μπορεί να εφαρμοστεί όταν: i. Υπάρχει μόνο μια πηγή εκπομπής. Υπάρχει όμως και η πιθανότητα αποτυχίας αξιοποίησης του εύρου ζώνης για τις λειτουργίες αποθήκευσης και διαβίβασης. ii. Υπάρχουν δυο οι περισσότερες ανεξάρτητες πηγές εκπομπής δίκτυο. Ακόμη και σε εκπομπές προς ένα σημείο, η αποτυχία αξιοποίησης του εύρου ζώνης για αποθήκευση και διαβίβαση είναι πιθανή.

63 Page 63 Πηγαία Κωδικοποίηση Δικτύου Στα προβλήματα συγχώνευσης δεδομένων, η πληροφορία από πολλαπλούς κόμβους συνδυάζεται για την δημιουργία μίας μεταβλητής απόφασης. Αν και αναγκαίο, η μείωση του ρυθμού μετάδοσης μεταξύ κόμβων δεν είναι εφικτή. Η επιλογή όμως αν ένας κόμβος θα συμμετάσχει ή όχι στην συγχώνευση είναι αρκετή για να καταστεί δυνατή η επεκτασιμότητα. Έτσι καθώς αυξάνουν οι κόμβοι, αυξάνει και η χωρητικότητα επικοινωνίας του δικτύου, οπότε η ποσότητα πληροφορίας που θα αποσπαστεί από το δίκτυο φτάνει τελικά σε κορεσμό. Καλύτερες ενεργειακά αποδοτικές λύσεις μπορούν να υλοποιηθούν συνδυάζοντας τον κώδικα με τις απαιτήσεις δρομολόγησης. Σε αυτή την περίπτωση οι επιλογές είναι: Η εκτέλεση μιας σχετικά απλής συμπίεσης των δεδομένων που βρίσκονται στον κόμβο αλλά και η αντιμετώπιση του προβλήματος βέλτιστης δρομολόγησης. Η εκτέλεση ενός κοινού δύσκολου πηγαίου κώδικα αλλά με την ευκολία μετά της απλής μεθόδου δρομολόγησης (π.χ. Shortest Path Tree: Δέντρο συντομότερης διαδρομής). Για συμπίεση χωρίς απώλειες σε διακριτές πηγές έχει αποδειχτεί ότι η χρήση του κώδικα Slepian Wolf (μέθοδος κωδικοποίησης με την χρήση συμπιεσμένης πληροφορίας από δυο συσχετιζόμενες πηγές) και στην συνέχεια η χρήση δρομολόγησης SPT, είναι ιδανική λύση όταν οι αποστάσεις μεταξύ γειτονικών κόμβων είναι μικρές. Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης η αποδοτική αναζήτηση υλικού προς δειγματοληψία, είτε για τον εντοπισμό εισβολέα είτε για τον χαρακτηρισμό κάποιου φυσικού φαινόμενου. Και στις δύο όμως περιπτώσεις πρέπει να λυθεί το πρόβλημα που σχετίζεται με τον πηγαίο κώδικα και την δρομολόγηση Πιστότητα και Επεκτασιμότητα Γενικά τα δίκτυα ad hoc δεν είναι επεκτάσιμα, τα δίκτυα αισθητήρων όμως έχουν αυτήν την δυνατότητα. Η κατανομή μεταξύ του ζεύγους πηγή παραλήπτη (Π Π) είναι ικανοποιητική (τοπικά), δίνοντας την δυνατότητα επεκτασιμότητας μέσω (α) λήψης αποφάσεων ή (β) συμπεριλαμβάνοντας επιπλέων επίπεδα επικοινωνίας καθιστώντας τοπική κατανομή Π Π στα χαμηλότερα επίπεδα. Το πρόβλημα στην τοπική λήψη αποφάσεων είναι η ακριβής εξαγωγή της πληροφορίας ενός φυσικού φαινόμενου όταν οι κόμβοι έχουν κάποιους περιορισμούς (π.χ. εύρος ζώνης). Καθώς θα αυξάνει η πυκνότητα των κόμβων, θα βελτιώνεται και η ικανότητα χωρικής επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων και άρα θα αυξάνεται ο όγκος πληροφορίας που θα μεταφέρεται. Αν όμως έχουν μόνο οι κόμβοι μηχανισμό προσδιορισμού των κόμβων που θα κάνουν τοπική σύντηξη πληροφορίας, η πληροφορία προς μετάδοση θα φτάσει σε κορεσμό (βάση του ορίου πιστότητας). Για παράδειγμα, σε πρόβλημα ταυτοποίησης, όσο θα αυξάνουν οι κόμβοι θα υπάρχει τελικά ένας κόμβος που θα είναι κοντά στην πηγή, οπότε μόνο αυτός θα παίρνει αποφάσεις. Τότε οι κόμβοι με το υψηλότερο SNR θα πρέπει να έχουν την δυνατότητα μείωσης της δραστηριότητα στους κόμβους όπου ανιχνεύεται το φαινόμενο με την χαμηλότερη πιστότητα (επίπεδα SNR όπου τείνουν να συμμετέχουν σε ανιχνεύσεις μέσω συνεργασίας). Δηλαδή με μια απλή στρατηγική αναμετάδοσης υπάρχει η δυνατότητα εξόρυξης της πληροφορίας από το δίκτυο. Τα κλειδιά για επεκτασιμότητα είναι: Διαχωρισμός λειτουργιών μεταξύ πηγαίου κώδικα και επικοινωνιών μεγάλης εμβέλειας ώστε να είναι εφικτές οι διάφορες πυκνότητες. Τοπική λήψη αποφάσεων για αποφυγή της υπέρβασης όγκου πληροφορίας προς εκπομπή. Κριτήρια πιστότητας για αποφυγή υπέρβασης όγκου πληροφορίας προς εκπομπή.

64 Page 64 Πρέπει να σημειωθεί ότι οι επικοινωνίες και οι κανόνες τοπικών αποφάσεων δεν είναι αρκετοί για επίτευξη ιδανικής στρατηγικής. Απλά εξασφαλίζουν την επεκτασιμότητα. Η κατάσταση αλλάζει όμως με την εφαρμογή περιορισμών πιστότητας. Όταν διαπιστωθεί ότι υπάρχει επαρκής αριθμός κόμβων ώστε μεταξύ παρατηρήσεων να έχουν κοινές πληροφορίες και τα φαινόμενα στις πηγές να ξεπερνούν κάποιο όριο, τότε δεν χρειάζονται άλλοι κόμβοι. Στην περίπτωση που χρειαστεί να επεκταθεί το δίκτυο, θα πρέπει να κυριαρχούν οι τοπικές επικοινωνίες ενώ οι επικοινωνίες μακρινής εμβέλειας καθίστανται λιγότερο σημαντικές. Άρα τοπικά χρειάζεται ο συνδυασμός κωδικοποίησης πηγαίου / δρομολόγησης / καναλιού, ενώ για μακρινές αποστάσεις λαμβάνονται υπόψη μόνο οι επικοινωνίες. Για το αντίστοιχο πρόβλημα της βελτιστοποίησης επιλέγεται μια συνάρτηση κόστους οι οποία θα ελέγχει τους κόμβους που θα συνεργάζονται τοπικά (βάση κάποιου πρωτοκόλλου συνεργασίας). Τα μεγαλύτερα ερωτήματα εδώ είναι ο αναγκαίος αριθμός κόμβων και ο χρόνος εμπλοκής τους. Για παράδειγμα, στις επικοινωνίες μικρής εμβέλειας καταναλώνεται ενέργεια και όταν η κεραία είναι απλά ενεργοποιημένη (η ισχύς εκπομπής είναι δευτερεύον ζήτημα). Παρόμοια, ο χρόνος επεξεργασίας συσχετίζεται με την ποσότητα πληροφορίας που συλλέγεται και συχνά είναι μια εκθετική συνάρτηση του αριθμού των κόμβων που εμπλέκονται, οπότε είναι σημαντική η ελαχιστοποίηση των κόμβων (ενώ τηρείται ο περιορισμός πιστότητας). Αυτός ο τύπος συνάρτησης κόστους οδηγεί σε κάποια περεταίρω προβλήματα βελτιστοποίησης. Ο αριθμός κόμβων που εμπλέκονται στην σύμπτυξη της πληροφορίας κάποιου γεγονότος για την επιθυμητή πιστότητα μπορεί να αποκτηθεί εύκολα σε αρκετές περιπτώσεις, ιδίως για προβλήματα συνδυασμού μέγιστης αναλογίας (Maximal Ratio) και διαμόρφωσης. Για παράδειγμα, η απαίτηση πιστότητας είναι ότι η σύμπτυξη δεδομένων πρέπει να δώσει SNR μεγαλύτερο από ένα δοσμένο όριο και ο AWGN (Additive white Gaussian noise: μοντέλο καναλιού με γραμμική προσθήκη λευκού θορύβου με σταθερή φασματική πυκνότητα και Γκαουσιανή κατανομή πλάτους) είναι δεδομένος. Αν είναι πιθανός ο συνδυασμός με συνεκτικότητα κάθε φορά που η ακτίνα δράσης διπλασιάζεται, τότε το αναμενόμενο SNR βελτιώνεται κατά 6 DB. Υποθέτοντας ότι υπάρχει μέγιστο κόστος στον αριθμό των κόμβων που χρησιμοποιούνται για την σύμπτυξη της πληροφορίας, τότε παράγεται μια οικογένεια καμπυλών (Εικόνα 6.3) για τις διαφορετικές ανάγκες πιστότητας. Όπως φαίνεται, η πυκνότητα ρ l θα φτάσει τον μέγιστο επιτρεπόμενο αριθμό κόμβων (n max ) οπότε δεν θα είναι δυνατό να επιτευχθεί η αναγκαία πιστότητα, ενώ πάνω από την πυκνότητα ρ h θα είναι αναγκαίος μόνο ο ελάχιστος αριθμός κόμβος. Εικόνα 6.3 Αριθμός κόμβων έναντι πυκνότητας κόμβων (A.F.) Η συνάρτηση κόστους πρέπει να περιλαμβάνει και το κόστος του συνολικού δικτύου στην περίπτωση της αύξησης της πυκνότητας των κόμβων (εξοπλισμός και συντήρηση). Έτσι θα δοθεί λύση χαμηλότερης πυκνότητας ενώ το λειτουργικό κόστος για κάθε ανίχνευση γεγονός θα οδηγήσει σε

65 Page 65 ψηλότερες πυκνότητες. Οπότε οι απαιτήσεις πιστότητας για κάθε μοντέλο συνεργασίας θα οδηγούν στην βέλτιστη πυκνότητα εγκατάστασης. 6.3 Πιστότητα στα Ετερογενή Δίκτυα Σε αυτή την ενότητα εξετάζεται η περίπτωση των ετερογενή δικτύων και οι δυνατότητες τους όπως η χρήση κινητών στοιχείων και ιεραρχικών δικτύων με κόμβους αυξημένων δυνατοτήτων (π.χ. μεγαλύτερη εμβέλεια ανίχνευσης ή κεραία, μεγαλύτερο αποθηκευτικό χώρο κτλ). Επίσης αναλύονται οι επιπτώσεις στο πρόβλημα πιστότητας Κινητικότητα Στα MANET (Mobile Ad Hoc Networks) η κινητικότητα είναι από τις σημαντικότερες αιτίες υπερχείλισης του πρωτοκόλλου στοίβας και μείωση της αποτελεσματικότητας των επικοινωνιών. Πρόσφατες μελέτες δείχνουν όμως ότι η κινητικότητα αυξάνει την χωρητικότητα στα WSN. Οι κατηγορίες κινητικότητας είναι: Τυχαία Οι κόμβοι κινούνται τυχαία και για ευκολία θεωρείται ότι ακολουθούν το μοντέλο κίνησης Brown (Brownian Motion: μαθηματικό μοντέλο περιγραφής τυχαίων κινήσεων). Προβλέψιμη Το πρότυπο κίνησης θεωρείται γνωστό οπότε χρησιμοποιείται για την δρομολόγηση των δεδομένων. Ο σκοπός των κινητών κόμβων δεν είναι η μεταφορά δεδομένων οπότε πιθανό να μην συμπίπτουν τα δρομολόγια τους με τις απαιτήσεις δρομολόγησης. Ελεγχόμενη Το πρότυπο κινητικότητας είναι υπό τον έλεγχο του δικτύου. Στη περίπτωση της ελεγχόμενης κινητικότητας υπάρχουν θεμελιώδης διαφορές φυσικά στις ιδιότητες ρυθμαπόδοσης και καθυστερήσεων σε σύγκριση με τις άλλες δυο κατηγορίες. Αν οι κόμβοι κινούνται τυχαία, τα δεδομένα ταξιδεύουν σε δυο αναπηδήσεις: από τον κόμβο πηγή στον κινητό κόμβο που λειτουργεί σαν αναμεταδότης και από εκεί στον τελικό προορισμό. Εδώ η ρυθμαπόδοση και οι καθυστερήσεις επηρεάζονται από τον αριθμό αναπηδήσεων, την εμβέλεια εκπομπής και την ταχύτητα/κινητικότητα του κόμβου. Αν η κίνηση των κόμβων είναι ελεγχόμενη, τότε κάθε πηγή μπορεί να μετακινηθεί κοντά στον προορισμό της, αποφεύγοντας έτσι τις παρεμβολές μεταξύ ταυτόχρονων μεταδόσεων και αξιοποιώντας όλο το διαθέσιμο εύρος ζώνης με κάποια σταθερή καθυστέρηση η οποία εξαρτάται από τον χρόνο μετακίνησης των κινητών κόμβων στον προορισμό τους (όσο η περιοχή είναι σταθερή, ο χρόνος αυτός θα είναι επίσης σταθερός). Γενικά, οι ελεγχόμενοι κινητοί (επαναφορτιζόμενοι) κόμβοι είναι σε θέση να βοηθήσουν τους σταθερούς κόμβους ώστε να εξοικονομούν ενέργεια (αποφεύγοντας εκπομπές μεγάλης εμβέλειας και αναμεταδόσεις). Βοηθούν στην επικοινωνία μεταξύ ασυσχέτιστων δικτύων, στην μείωση των αναπηδήσεων και άρα στον περιορισμό σφαλμάτων στα πακέτα. Αυτή η μείωση των αναπηδήσεων βοηθάει επίσης και στην μείωση του προβλήματος σφάλματος συγχρονισμού που αυξάνεται στα δίκτυα ad hoc με πολλαπλές αναπηδήσεις.

66 Page Ακεραιότητα Δεδομένων Προβλήματα όπως βλάβες, λανθασμένες ρυθμίσεις και κακόβουλες επιθέσεις στο δίκτυο, προκαλούν ερωτήματα για την αξιοπιστία των πληροφοριών που παράγει το δίκτυο. Εκτός από τις απώλειες στις επικοινωνίες, υπάρχουν σφάλματα και στο επίπεδο φυσικών γεγονότων, αισθητήρων και σε ενδιάμεσα συστήματα όπως συγχρονισμού και ομαδοποίησης δεδομένων. Η λύση μπορεί να βρεθεί κατηγοριοποιώντας τα σημεία ενός δικτύου βάση του βαθμού εμπιστοσύνης, π.χ. από πείρα, ρυθμίσεις με όργανα ακριβείας ή κόμβους εμπιστοσύνης. Στην συνέχεια αναφέρονται συγκεκριμένα προβλήματα όπου διασφαλίζεται η ακεραιότητα των δεδομένων Ρύθμιση Αισθητήρων Όταν οι απαιτήσεις ανάλυσης είναι χαμηλές, είναι αρκετό να ρυθμιστούν μόνο μία φορά οι αισθητήρες. Συνήθως όμως η κατάσταση είναι αρκετά πιο δύσκολη: Το μέσο στο οποίο ταξιδεύει η πληροφορία μπορεί να είναι άγνωστο, οπότε οι ρυθμίσεις από το εργαστήριο θα είναι κατά μεγάλο μέρος λάθος. Το μέσο μπορεί επίσης να είναι δυναμικό οπότε δεν θα είναι αποτελεσματική η αρχική ρύθμιση. Σύγχυση μεταξύ φυσικών φαινομένων. Διάβρωση αισθητήρων από το περιβάλλον (ή π.χ. από βίο καύσιμο) Ενδεχόμενη αποτυχία ηλεκτρονικού στοιχείου (π.χ. πτώση τάσης μπαταρίας) Σφάλματα μνήμης (π.χ. κόλλημα τιμής) Για την αντιμετώπιση τέτοιων προβλημάτων υπάρχουν δυο βασικοί τρόποι. Ο πρώτος είναι με πλεόνασμα στα συστήματα του δικτύου. Αν στο δίκτυο τοποθετηθεί μεγάλος αριθμός κόμβων (ρυθμισμένοι πολύ καλά αρχικά και σε άριστη κατάσταση) ώστε να υπάρχει υπερδειγματοληψία, όταν κάποιοι από αυτούς παρουσιάσουν βλάβη, οι μηχανισμοί ανίχνευσης θα εντοπίσουν όσους δίνουν ακραίες τιμές και δεν θα λαμβάνονται υπόψη στην συνέχεια. Αν αυτοί οι μηχανισμοί είναι τελειοποιημένοι, οι αναφορές βλαβών θα είναι αξιόπιστες και το δίκτυο θα μπορεί να αποφασίζει με επιτυχία για την ανάγκη επιπρόσθετων κόμβων. Δηλαδή απαιτούνται (α) η ικανότητα αναγνώρισης της ακεραιότητας των μετρήσεων από κάθε κόμβο σε σχέση με το σύνολο και (β) η ικανότητα αναγνώρισης της ακεραιότητας των αποφάσεων του συνόλου. Αν ο αριθμός των κόμβων είναι πεπερασμένος τότε θα είναι πιο δύσκολη η εύρεση ενός αξιόπιστου συνόλου. Για παράδειγμα, με μόνο δυο κόμβους θα είναι αδύνατο να εντοπιστεί ο πιο αξιόπιστος. Ο δεύτερος τρόπος είναι με προγραμματισμένες (προσαρμοσμένες αναλόγως των αποκλίσεων στις ρυθμίσεις/μετρήσεις) συντηρήσεις/ρυθμίσεις μέσω αξιόπιστων κινητών μονάδων. Έτσι υπάρχει η δυνατότητα: Αντικατάστασης κόμβων με άλλους που έχουν ρυθμιστεί Δημιουργίας τυποποιημένων φυσικών γεγονότων σε γνωστές τοποθεσίες και χρόνους Μετρήσεων φυσικών φαινομένων από κόμβους που ρυθμίστηκαν πρόσφατα Υβριδικός συνδυασμός των πιο πάνω Όταν γίνονται γενικά συχνές ρυθμίσεις για να τηρούνται τα όρια πιστότητας, αποφεύγονται οι ρυθμίσεις λόγω σφαλμάτων και η χρήση στατιστικών δεδομένων βοηθά στην βελτιστοποίηση του

67 Page 67 μοντέλου (πρόβλεψη απόκλισης κόμβων). Τέλος, με χρήση πλεονάσματος κόμβων στο δίκτυο μειώνεται ο συνολικός αριθμός ρυθμίσεων των κόμβων Αξιόπιστη τοποθεσία κόμβων Ο εντοπισμός φυσικών φαινομένων στα WSN με μεγάλη πυκνότητα κόμβων μπορεί να γίνει μέσω της εύρεσης των κόμβων των οποίων η ισχύς σήματος ξεπερνά κάποιο όριο και επιλέγοντας είτε εκείνον με την μεγαλύτερη ισχύ είτε ένα συνδυασμό της ισχύς τους. Η δεύτερη μέθοδο είναι αρκετά ακριβής όταν το περιβάλλον διάδοσης είναι γνωστό αλλά συνήθως το περιβάλλον είναι απρόβλεπτο και με πολλές μεταβλητές. Μια καλύτερη μέθοδος εντοπισμού της πηγής είναι ο έλεγχος κατεύθυνσης του σήματος. Σε αυτή την περίπτωση μία ή αρκετές συστάδες κόμβων εκπέμπουν σε συγκεκριμένη γωνία προς την πηγή με σκοπό τον υπολογισμό του σημείου τομής. Η χρήση μόνο μιας συστάδας είναι ακριβής μόνο όταν η πηγή βρίσκεται εντός της καμπύλης ανίχνευσης της συστάδας ενώ αν είναι πολλές, ο εντοπισμός γίνεται σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις. Οι κόμβοι μπορούν να εντοπίσουν την θέση τους γνωρίζοντας την θέση κάποιων σταθερών σημείων και χωρίς εξωτερική βοήθεια (π.χ. GPS). Μπορεί να γίνει και κατά προσέγγιση εντοπισμός όταν ορισμένοι κόμβοι με γνωστές θέσεις καταγράφουν τον απαιτούμενο αριθμό αναπηδήσεων στην επικοινωνία με άλλους κόμβους. Αν αυτοί οι κόμβοι είναι στην περιφέρεια του δικτύου, τότε άλλοι κόμβοι μπορούν να υπολογίσουν την δική τους θέση βάση αυτών των σταθερών κόμβων. Αν οι κόμβοι είναι συγχρονισμένοι τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνικές χρόνου άφιξης για να υπολογίσουν την μεταξύ τους απόσταση και μετά με γεωμετρικές σχέσεις συμπληρώσουν τις θέσεις (μικρά λάθη στις υπολογισμένες αποστάσεις μπορούν να διορθωθούν με τεχνικές ελάχιστων τετραγώνων: μέθοδος προσεγγιστικού περιορισμού σφαλμάτων). Οι πιο πάνω τεχνικές προϋποθέτουν ότι οι κόμβοι είναι λειτουργήσιμοι και αξιόπιστοι. Τέτοιες συνθήκες όμως σπάνια πληρούνται λόγω ύπαρξης ελαττωματικών κόμβων, εμποδίων που αναγκάζουν στην εύρεση εναλλακτικών διαδρομών επικοινωνίας και επειδή τα συστήματα υπόκεινται σε κακόβουλες επιθέσεις. Το πρώτο επίπεδο προστασίας είναι η χρήση πλεονάσματος αριθμού κόμβων για εκτέλεση στατιστικών τεστ για προσδιορισμό/απόρριψη ακραίων τιμών. Το επόμενο επίπεδο προστασίας είναι η χρήση περισσότερων κόμβων που βρίσκονται σε αξιόπιστη θέση. Για παράδειγμα, στα πρωτόκολλα SeRLoc (Secure Range Independent Localization) και HiRLoc (High Resolution Robust Localization), χρησιμοποιούνται πολλαπλοί ασφαλείς κόμβοι από τους φθηνότερους κόμβους προς παθητική εκτίμηση της θέσης τους, εξαλείφοντας αλληλεπιδράσεις και επιθέσεις. Η χρήση των κινητών κόμβων μπορεί επίσης να βοηθήσει στην επίτευξη του στόχου, παρέχοντας σε κάθε κόμβο την θέση του καθώς περνάει από κοντά τους. Μπορούν επίσης να εκπέμπουν σήμα συγχρονισμού βοηθώντας στην σωστή εκτίμηση των αποστάσεων. Φυσικά μπορούν να βοηθήσουν τους κινητούς κόμβους και οι στατικοί κόμβοι που γνωρίζουν την θέση τους στον υπολογισμό της μεταβαλλόμενης θέσης τους Αξιόπιστος Συγχρονισμός Όπως προαναφέρθηκε, ο συγχρονισμός είναι αναγκαίος για τον αξιόπιστο εντοπισμό θέσης και διακρίνεται στο επίπεδο λειτουργικού συστήματος και στο φυσικό επίπεδο. Οι αρχικές ρυθμίσεις συγχρονισμού των κόμβων υπόκεινται πάντα κάποια απόκλιση. Ακόμη και αν οι κόμβοι είναι εντελώς της ίδιας κατασκευής, μικρές θερμοκρασιακές διαφορές μεταβάλλουν την συχνότητα και ο θερμικός θόρυβος θα επιφέρει την απόκλιση. Στα WSN όμως οι επικοινωνίες τηρούν αυστηρούς κανόνες συγχρονισμού λόγω της ανάγκης συντονισμού της συχνότητας φέρον και της φάσης. Τα ίδια τα σήματα που μεταφέρουν τα δεδομένα χρησιμοποιούνται και για συγχρονισμό καθώς

68 Page 68 γνωρίζουν για τα επακόλουθα πακέτα. Έτσι επιτυγχάνονται γερές βάσεις στο δίκτυο με δυνατότητες όπως ο χρονισμός δεδομένων, η κυκλική εναλλαγή καθηκόντων μεταξύ κόμβων (εξοικονόμηση ενέργειας) ή ακόμη και συνδυασμός σημάτων χαμηλής συχνότητας (π.χ. ακουστικά ή σεισμικά κύματα). Σε μια απλή εφαρμογή όπως ο συγχρονισμός όλων των κόμβων με ένα κύριο ρολόι, τα ρολόγια των κόμβων υπόκεινται σε κάποια καθυστέρηση λόγω π.χ. του χρόνου διακοπής του επεξεργαστή όταν καταγράφει κάποιο γεγονός ή λόγω συμφόρησης πακέτων σε φορτωμένες επικοινωνίες. Λόγω της μορφής των WSN θα υπάρχουν συνεχείς συσσωρεύσεις καθυστερήσεων που αυξάνουν την απόκλιση τους από το κυρίως ρολόι. Αυτή η συσσώρευση μπορεί να μετριαστεί με την χρήση του πρωτόκολλου NTP (Network Time Protocol) όπου κατά την εκπομπή πολλών πακέτων η καθυστέρηση μετριέται από τις πρόωρες αφήξεις και επιστροφές. Αν κάθε κόμβος είναι εξοπλισμένος με GPS, ο συγχρονισμός θα γίνεται με μεγάλη ακρίβεια αλλά θα υπάρχουν και προβλήματα όπως η ανεπάρκεια σήματος σε κλειστούς χώρους, του υπερβολικού κόστους και η υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Παρόλα αυτά, αν μερικοί κόμβοι που βρίσκονται σε ανοικτούς χώρους έχουν GPS, τότε οι υπόλοιποι κόμβοι του δικτύου θα μπορέσουν να συγχρονιστούν. Υπάρχει φυσικά και το πρόβλημα εμπιστοσύνης στις πληροφορίες που δίνουν οι κόμβοι οπότε είναι αναγκαίος και ο εντοπισμός όσων δεν είναι σε καλή κατάσταση. Για τον σκοπό αυτό έχουν προταθεί αλγόριθμοι όπως ο RANSAC (RANdom SAmple Consensus: Τυχαίο Δείγμα Κοινής Αντίληψης) Διανομή Κλειδών Βασικό σημείο στην ακεραιότητα των δεδομένων είναι η ασφάλεια στις επικοινωνίες. Για διάφορους λόγους κάποιος κόμβος μπορεί να μην παρέχει αξιόπιστες πληροφορίες (αλλοίωση δεδομένων, κακές μετρήσεις, μη διαβίβαση πληροφοριών κτλ) όποτε είναι σημαντικό να εντοπίζονται. Για την χρήση οποιουδήποτε πρωτοκόλλου ασφαλείας χρειάζεται και κάποιος μηχανισμός διανομής κρυπτογραφικών κλειδιών (Εικόνα 6.4) ο οποίος θα μπορεί να παρέχει ισχυρή κρυπτογράφηση, επεκτασιμότητα, προσαρμοστικότητα στην προσθαφαίρεση κόμβων, χαμηλό υπολογιστικό κόστος και μικρή φόρτωση στις συνολικές επικοινωνίες. Μια αρκετά καλή προσέγγιση είναι το πρωτόκολλο TinySec (κρυπτογράφηση σε επίπεδο σύνδεσης) το οποίο έχει την δυνατότητα παροχής συμμετρικών κλειδιών και ιδανική σχεδίαση για ενεργειακά Εικόνα 6.4 Κρυπτογραφικά Κλειδιά (G.I.) περιορισμένους κόμβους. Τα κλειδιά μπορεί να είναι δηλωμένα εκ τον προτέρων έτσι στην περίπτωση που κλαπεί ένα κόμβος δεν θα βάλει σε κίνδυνο την ασφάλεια των άλλων. Τέτοια εφαρμογή είναι κατάλληλη σε δίκτυα μέτριου μεγέθους αλλά όχι σε τοπολογίες γρήγορων αλλαγών. Μια εναλλακτική λύση είναι η παραγωγή των κλειδιών όταν τοποθετηθούν πρώτα οι κόμβοι (π.χ. Πρωτόκολλο LEAP: Lightweight Extensible Authentication Protocol. Ανεπτυγμένο από την CISCO με κύρια χαρακτηριστικά τα δυναμικά κλειδιά και την αμοιβαία ταυτοποίηση). Τα κλειδιά παράγονται με την χρήση ενός κοινού μυστικού σε συνδυασμό με μια γεννήτρια τυχαίων αριθμών και λαμβάνοντας ως παραμέτρους κάποια φυσικά γνωρίσματα του κόμβου (π.χ. τοποθεσία ή αριθμός ταυτότητας). Εδώ η κλοπή κόμβου δεν δημιουργεί προβλήματα επειδή ο κάθε κόμβος διαγράφει το κοινό μυστικό μετά την δημιουργία του κλειδιού αλλά αυτό σημαίνει και ότι δεν θα μπορούν να δημιουργήσουν νέα μελλοντικά κλειδιά.

69 Page Συστήματα Φήμης Η αξιοπιστία των πληροφοριών μπορεί να αναλυθεί στα ανώτερα επίπεδα όπως οι αποφάσεις των κόμβων ως σύνολο οι οποίες επηρεάζονται αρκετά στην περίπτωση βλαβών ή κακόβουλα ρυθμισμένων κόμβων. Η ιδέα πίσω από τα συστήματα φήμης είναι η βαθμολόγηση της αξιοπιστίας της τρέχουσας πληροφορίας βάση του συνδυασμού της προηγούμενης αξιοπιστίας και την βασιμότητα της τρέχουσας, δεδομένης της ομαδικής ομοφωνίας. Έτσι όσοι κόμβοι έχουν χαμηλή φήμη θα αγνοούνται. Κάποια ιδιαίτερα σημεία αυτής της ιδέας είναι ότι για την επεκτασιμότητα του πρωτοκόλλου δεν θα υπάρχει κατ ανάγκη ένα μόνο σημείο αποθήκευσης των πληροφοριών φήμης αλλά κάποια ιεραρχία. Επίσης μέσω της σχετικής σταθερότητας των στατικών μέρων του δικτύου συλλέγονται πληροφορίες σχετικά με τις επιδόσεις των γειτονικών κόμβων. Ακόμη, η φήμη χρησιμοποιείται ως κίνητρο για τους αξιόπιστους κόμβους ώστε να μεταβιβάζουν δεδομένα. Μέρος του προβλήματος ρύθμισης είναι η ανάγκη για πρωτόκολλο εντοπισμού ακραίων τιμών. Γνωρίζοντας αρκετά για το μοντέλο του φυσικού συστήματος μπορεί να υπάρξει εντοπισμός των ακραίων τιμών και υπολογίζεται η βαθμολόγηση φήμης των δεδομένων βάση της συμμόρφωσης στο μοντέλο. Έστω και με μερική γνώση του μοντέλου, υπάρχει η δυνατότητα εφαρμογής απλών κριτηρίων όπως η απόρριψη τιμών που βρίσκονται εκτός του εύρους τιμών ή και γρήγορες/αργές αλλαγές ακολουθιών. Οι τεχνικές που βασίζονται στην μοντελοποίηση, εκτός από την δυναμικότητα του περιβάλλοντος, αντιμετωπίζουν και το πρόβλημα μοντελοποίησης της εσφαλμένης συμπεριφοράς των κόμβων. Έτσι εφαρμόζονται κάποιες χαλαρές υποθέσεις όπου θεωρείται ότι οι γειτονικοί κόμβοι έχουν συσχετιζόμενες μετρήσεις και ότι οι κόμβοι στην πλειοψηφία κάνουν σωστές μετρήσεις. Οπότε οι μετρήσεις συγκρίνονται με εκείνες των γειτονικών κόμβων για υπολογισμό της βαθμολογίας φήμης. Αφού βγει η βαθμολογία φήμης για όλους τους κόμβους, υπάρχουν διάφοροι τρόποι συγκέντρωσης και εφαρμογής των αποτελεσμάτων. Ένας τρόπος είναι η δυαδική εφαρμογή: ικανοποιητικός / μη ικανοποιητικός. Ένας δεύτερος τρόπος είναι η χρήση της κατανομής Βήτα (οικογένεια συνεχών κατανομών πιθανότητας ορισμένων στο διάστημα (0,1) με δυο παραμέτρους ) λόγω της ανάγκης δυο μόνο παραμέτρων για χαρακτηρισμό της κατανομής της πιθανότητας. Ασφαλής Επικοινωνίες (G.I. + A.F.)

70 Page 70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ VII Έλεγχος Ισχύς 7.1 Πρώτη Επαφή Όπως είναι γνωστό, λόγω της χρήσης μπαταρίας, η ενέργεια είναι πολύτιμος πόρος στα WSN (τις περισσότερες περιπτώσεις) η οποίας συνήθως δεν επαναφορτίζεται. Η χρήση ενεργειακά αποδοτικών αλγορίθμων είναι σημαντική για την αύξηση της λειτουργικότητας του δικτύου όσο το δυνατό περισσότερο. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας των κόμβων καταναλώνεται από τις εκπομπές δεδομένων οπότε οι αλγόριθμοι χρειάζονται τεχνικές ελέγχου της ισχύος εκπομπής. Η ισχύ αυτή καθορίζει την δύναμη του σήματος στον παραλήπτη, την εμβέλεια αλλά και το βαθμό παρεμβολής σε άλλους παραλήπτες στο δίκτυο. Μειώνοντας την ισχύ οδηγεί στην εξοικονόμηση της ενέργειας, την αύξηση της χρήσης του χώρου επικοινωνιών και την βελτίωση της ρυθμαπόδοσης. Από την άλλη, αυξάνοντας την ισχύ θα οδηγήσει σε επικοινωνίες μεγαλύτερης εμβέλειας, μείωση του αριθμού αναπηδήσεων, βελτιωμένο σήμα στον παραλήπτη, μικρότερο BER (Bit Error Probability) και μειωμένες καθυστερήσεις. 7.2 Αρχές Σχεδίασης Αρχιτεκτονική Ασύρματων δικτύων Σε ένα ασύρματο δίκτυο ad hoc οι επικοινωνίες επιτυγχάνονται μέσω πολλαπλών αναπηδήσεων μεταξύ τερματικών που συνεργάζονται (Εικόνα 7.1). Η τοπολογία τους είναι δυναμική, απρόβλεπτη, τυχαία και χωρίς υποστήριξη σε επίπεδο υποδομής. Λόγω της αυτό οργάνωσης τους είναι κατάλληλα σe επικοινωνίες χωρίς υποδομή ή μεγάλες οικονομικές δυνατότητες. Τα ασύρματα δίκτυα Ad Hoc ακολουθούν την επιτυχημένη αρχιτεκτονική επιπέδων του Διαδικτύου αλλά με κάποιες τροποποιήσεις. Στην Εικόνα 7.2 φαίνεται η στοίβα πρωτόκολλων ενός γενικού δικτύου Ad Hoc. Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Εικόνα 7.1 Υπεύθυνο για μετατροπή των bit σε ραδιο σήματα Ασύρματο Δίκτυο Ad Hoc (A.F.) και την μετάδοση τους στο ασύρματο μέσο. Αποτελείται από κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων (RF) και συστήματα διαμόρφωση / κωδικοποίησης. Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων (Data Link Layer) Υπεύθυνο για την επίτευξη αξιόπιστης και ασφαλής ζεύξης στο αναξιόπιστο ασύρματο μέσο. Είναι δηλαδή υπεύθυνο για την κοινή χρήση του ασύρματου μέσου και τον έλεγχο σε σφάλματα ζεύξης και ασφάλειας. Επίσης αποτελείται από δυο υποεπίπεδα: το MAC

71 Page 71 και το LLC (Logical Link Control). Το MAC κατανέμει τον χρόνο, την συχνότητα ή τον χώρο κώδικα μεταξύ τερματικών για την κοινή χρήση του ασύρματου μέσου. Το LLC επηρεάζει την κοινή χρήση του ασύρματου μέσου και του MAC. Επίπεδου Δικτύου (Network Layer) Υπεύθυνο για την δρομολόγηση πακέτων και την επίτευξη επικοινωνίας μεταξύ ζεύγους τερματικών. Επίπεδο Μεταγωγής (Transport Layer) Υπεύθυνο για την επίτευξη επικοινωνιών σε εφαρμογές που βρίσκονται σε διαφορετικά τερματικά. Βασικό χαρακτηριστικό είναι ο έλεγχος συμφόρησης. Η ισχύς εκπομπής έχει σημαντική επίδραση σε αυτό το επίπεδο. Επίπεδο Εφαρμογών (Application Layer) Υπεύθυνο για την υποστήριξη εφαρμογών δικτύου και παροχής υπηρεσιών για έλεγχο, επίβλεψη και διαχείριση των ασύρματων δικτύων Ad Hoc. Εικόνα 7.2 Στοίβα Πρωτόκολλων (A.F.) Αρχές Σχεδίασης Ελέγχου Ισχύς Λόγω της επίδρασης που έχει ο έλεγχος της ισχύς εκπομπής στα διάφορα επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, υπάρχουν και διάφορες αρχές καθοδήγησης στην σχεδίαση των αλγορίθμων ελέγχου. Επίδραση στην Χωρητικότητα και Ρυθμαπόδοση Λόγω του κοινόχρηστου μέσου των ασύρματων επικοινωνιών (π.χ. αέρας), η ισχύς εκπομπής μπορεί να προκαλέσει παρεμβολές. Μειώνοντας την περιορίζεται η εμβέλεια επίδρασης αλλά αυξάνονται οι αναπηδήσεις. Αν η εμβέλεια εκπομπής είναι r τότε και η περιοχή παρεμβολών είναι ανάλογη του r 2, ενώ ο φόρτος μεταβίβασης είναι αντιστρόφως ανάλογος του r. Επίδραση από το Υλισμικό Στον πιο κάτω πινάκα αναφέρονται οι διάφορες καταναλώσεις ενέργειας σε συσκευή ασύρματης επικοινωνίας. Αν επικρατεί η PTxrad χρειάζεται ένας ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος δρομολόγησης. Αν η PSleep είναι αρκετά μικρότερη της PIdle τότε μια καλή ιδέα είναι να απενεργοποιείται το ράδιο όταν ο κόμβος δεν έχει προγραμματισμένη εκπομπή ή παραλαβή δεδομένων. PRxelec PTxelec PTxrad P Idle P Sleep Ισχύς που καταναλώνεται κατά την επεξεργασία λήψης Ισχύς που καταναλώνεται κατά την επεξεργασία εκπομπής Ισχύς που καταναλώνεται κατά στον ενισχυτή ισχύος για εκπομπή πακέτου Ισχύς που καταναλώνεται όταν ο ραδιοπομπός είναι απλά ενεργοποιημένος Ισχύς που καταναλώνεται όταν ο ραδιοπομπός είναι απενεργοποιημένος Επίδραση από τον Φόρτο Οι καθυστερήσεις λόγω διάδοσης, επεξεργασίας, εκπομπής και αναμονής δίνουν το συνολικό χρόνο καθυστέρησης στην επικοινωνία μεταξύ δυο τερματικών. Η διάδοση είναι ανάλογη της απόστασης μεταξύ τους και είναι γενικά αμελητέα. Οι καθυστερήσεις λόγω επεξεργασίας και εκπομπής είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να λάβει, να

72 Page 72 αποκωδικοποίηση και να επανεκπέμψει ένα πακέτο και είναι ανάλογες του αριθμού αναπηδήσεων. Οι καθυστερήσεις λόγω αναμονής είναι ο χρόνος που περιμένει ένα πακέτο για να πάρει σειρά εκπομπής όταν το κανάλι είναι απασχολημένο. Αν είναι μικρός ο φόρτος στο δίκτυο τότε βελτιώνεται η απόδοση του δικτύου με αύξηση της ισχύς εκπομπής για μείωση των καθυστερήσεων επεξεργασίας και εκπομπής. Αν όμως ο φόρτος είναι αρκετός, τότε χρειάζεται μείωση της ισχύς εκπομπής γιατί θα κυριαρχούν οι καθυστερήσεις λόγω μεγάλων αναμονών. 7.3 Το πρόβλημα σε επίπεδο MAC Τα πρωτόκολλα MAC ανίχνευσης φορέα (CSMA: Carrier Sensing MAC) είναι αυτά που κυριαρχούν σε ένα ασύρματο δίκτυο Ad Hoc. Ένα τέτοιο πρωτόκολλο είναι το IEEE όπου για την επίλυση της κατοχής του καναλιού χρησιμοποιεί τετραπλή χειραψία. Για να στείλει ο κόμβος Α δεδομένα στον κόμβο Β, εκπέμπει αρχικά ένα πακέτο RTS (Request to Send) στον Β ο οποίος θα απαντήσει μετά με ένα πακέτο CTS (Clear to Send). Τότε ξεκινά να στέλνει τα δεδομένα στον Β και στο τέλος απαντάει ο Β με ένα πακέτο ACK (Acknowledgement). Για να διατηρείται το κανάλι ελεύθερο από άλλες εκπομπές, τα πακέτα RTS και CTS συμπεριλαμβάνουν την διάρκεια εκπομπής των δεδομένων και του ACK. Όταν κάποιος άλλος κόμβος ακούσει το μήνυμα RTS και/ή CTS, αναβάλει ενδεχόμενες εκπομπές μέχρι την λήξη του χρόνου. Το CTS αποτρέπει την σύγκρουση με τα πακέτα δεδομένων προς τον Β ενώ το RTS αποτρέπει την σύγκρουση με το μήνυμα ACK στον Α. Όλοι οι κόμβοι εκπέμπουν τα πακέτα δεδομένων και ελέγχου σε καθορισμένο επίπεδο ισχύς (μέγιστο). Τα CSMA είναι απλά αλλά και υπερβολικά συντηρητικά, με αποτέλεσμα την χαμηλή χωρική επαναχρησιμοποίηση και ενεργειακή απόδοση αλλά και τις αυξημένες παρεμβολές. Στην Εικόνα 7.3 ο κόμβος Α χρησιμοποιεί την μέγιστη ισχύς εκπομπής (TP: Transmit Power) για την αποστολή πακέτων στον κόμβο Β. Με την χρήση πολυκατευθυντικών κεραιών, η περιοχή που ενημερώνεται για την επικοινωνία των δυο κόμβων είναι η ένωση των κύκλων εμβέλειας της εκπομπής RTS και CTS. Επειδή οι κόμβοι D και E βρίσκονται εντός της περιοχής αυτής, θα αναβάλουν τις εκπομπές τους. Έτσι όμως δεν είναι εφικτές οι ταυτόχρονες επικοινωνίες A >B, D >C και F >E. Μια καλή λύση είναι οι κόμβοι να συγχρονίζονται τοπικά και να επιλέγουν την κατάλληλη ισχύ εκπομπής. Έτσι, σε αντίθεση με το στο οποίο επιλέγεται η μέγιστη ισχύς, θα γίνεται καλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας. Εικόνα 7.3 Αναποτελεσματικότητα του RTS/CTS (2)

73 Page 73 Στην συνέχεια θα αναλυθούν τα τρία βασικά σχήματα MAC. Σχήμα βασιζόμενο στον Ισχυρισμό Σε γενικά τέτοια σχήματα, τα πακέτα RTS και CTS εκπέμπονται σε προκαθορισμένη μέγιστη ισχύ (P max ) ενώ τα πακέτα Δεδομένων και ACK στην ελάχιστη δυνατή ισχύ. Αυτή η ελάχιστη ισχύς υπολογίζεται κατά την εκπομπή των RTS/CTS με τους εξής τρόπους: Ο κόμβος Α εκπέμπει το πακέτο RTS στον Β με P max. Ο Β το παραλαμβάνει με ισχύ P r οπότε βάση των P max, P r και του θορύβου μπορεί να υπολογίσει την ελάχιστη ισχύ P desired την οποία και συμπεριλαμβάνει στο πακέτο CTS για την μεταφορά των δεδομένων μεταξύ Α και Β. Ο κόμβος Α υπολογίζει το P desired βάση της ισχύς του CRT από τον Β. Δηλαδή P desired = P max /P r x Rx thresh x c Όπου Rx thresh : ελάχιστη αναγκαία δύναμη σήματος και c: σταθερά Αν και επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας, υπάρχει και η πιθανότητα υποβάθμισης της ρυθμαπόδοσης λόγω των συγκρούσεων από την χρήση της ελάχιστης ισχύς. Στην περίπτωση MAC ελεγχόμενης ισχύος (PCM: Power Controlled MAC), χρησιμοποιούνται πάλι τα P max και P desired αλλά η μετάδοση των δεδομένων αυξάνεται περιοδικά σε P max προς αποφυγή των συγκρούσεων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το PCM επιτυγχάνει ρυθμαπόδοση συγκρίσιμη με εκείνη του IEEE , με ακόμη χαμηλότερη κατανάλωση. Η συχνή αυξομείωση της ισχύς δεν εφαρμόζεται εύκολα. Μια ακόμα καλύτερη λύση είναι τα σχήματα ελεγχόμενης ισχύος τύπου δ (δ PCS). Η βασική ιδέα είναι ότι ο κόμβος εκπέμπει με ισχύ που βασίζεται στην απόσταση d και στην εκτίμηση του βαθμού παρεμβολών. Ορίζεται ως P (t) =P max (d/d max ) δ Όπου d max : η εμβέλεια από P max δ: σταθερά μεταξύ 0 και α α: ο συντελεστής εξασθένησης της ισχύος. Για κάθε σχήμα χρειάζεται και κατάλληλο δ το οποίο θα βελτιώσει την ενεργειακή απόδοση, την χωρική επαναχρησιμοποίηση του καναλιού και την ρυθμαπόδοση για διαφορετικές εμβέλειες. Εξομοιώσεις δείχνουν 40% βελτίωση στην ρυθμαπόδοση και τριπλασιασμό στην εξοικονόμηση της ενέργειας. Σχήμα βασιζόμενο στις Παρεμβολές Το προηγούμενο σχήμα έχει τον περιορισμό ότι εμποδίζει τις ταυτόχρονες εκπομπές από κόμβους που παραλάβουν τα πακέτα RTS και CTS. Για την καλύτερη χωρική επαναχρησιμοποίηση του μέσου, έχουν προταθεί αλγόριθμοι περιορισμού παρεμβολών στις ταυτόχρονες εκπομπές. Η βασική ιδέα είναι η ανταλλαγή πληροφοριών αποφυγής συγκρούσεων (CAI: Collision Avoidance Information) μέσω των πακέτων ελέγχου. Με αυτόν τον τρόπο ο κάθε κόμβος υπολογίζει την μέγιστη δυνατή ισχύ εκπομπής χωρίς να προκαλεί παρεμβολές.

74 Page 74 PCMA (Power Controlled Multiple Access Protocol). Το πρωτόκολλο ελέγχου ισχύος πολλαπλών προσβάσεων προτείνει δυναμική οριοθέτηση της ισχύς και την χρήση δυο καναλιών: δεδομένων και απασχολημένου τόνου. Οι δυο βασικοί μηχανισμοί είναι: Η χειραψία RPTS (Request Power To Send) και APTS (Acceptable Power To Send) η οποία καθορίζει την ελάχιστη ισχύ εκπομπής για επιτυχή επικοινωνία. Μεταδίδεται στο κανάλι δεδομένων. Κάθε παραλήπτης ενημερώνει την μέγιστη ανοχή του στον θόρυβο, δεδομένης της τρέχουσας ισχύος του λαμβανόμενου σήματος και θορύβου. Μεταδίδεται περιοδικά στο κανάλι απασχολημένου τόνου και η ένταση του σήματος του δείχνει την ανοχή σε επιπρόσθετο θόρυβο. Όταν ένας κόμβος θέλει να εκπέμψει, ακούει πρώτα στο κανάλι απασχολημένου τόνου για προσδιορισμό του άνω ορίου ισχύος για όλα τα πακέτα (RPTS, APTS, ACK και Δεδομένα), αποφεύγοντας έτσι τυχόν συγκρούσεις. Έχει αποδεδειχθεί ότι το PCMA διπλασιάζει την ρυθμαπόδοση στα πυκνά δίκτυα σε σύγκριση με το IEEE PCDC (Power Controlled Dual Channel Medium Access Protocol). Αντί για την χρήση καναλιού απασχολημένου τόνου, το PCDC μεταδίδει την πληροφορία περιθωρίου παρεμβολών μέσω των πακέτων RTS και CTS τα οποία εκπέμπονται σε ξεχωριστό κανάλι ελέγχου. Για περεταίρω αύξηση της χωρικής επαναχρησιμοποίησης και για καλύτερη προστασία των πακέτων ACK, χρησιμοποιείται κανάλι υπόελέγχου για την εκπομπή των πακέτων ACK. Εξομοιώσεις δείχνουν ότι το PCDC επιτυγχάνει βελτίωση 240% στην χρήση του καναλιού, πάνω από 60% στην ρυθμαπόδοση και 50% στην εξοικονόμηση ενέργειας. Επίσης είναι το πρώτο πρωτόκολλο που χρησιμοποιεί την αλληλεπίδραση μεταξύ των επιπέδων MAC και Δικτύου για την επίτευξη καλύτερης λύσης στο πρόβλημα ελέγχου της ισχύος. Ελέγχοντας την ισχύ εκπομπής των πακέτων RREQ (Route Request), το επίπεδο MAC ελέγχει αποτελεσματικά την ομάδα υποψήφιων κόμβων επόμενης αναπήδησης. Το PCDC διατηρεί μία ομάδα συνδεσιμότητας (CS: Connectivity Set) για κάθε κόμβο. Οι κόμβοι κάθε ομάδας δεν μπορούν να επιλέξουν μία έμμεση διαδρομή που να καταναλώνει λιγότερη ενέργεια από την άμεση επικοινωνία και έτσι βρίσκονται μεταξύ τους ενεργειακά αποδοτικές διαδρομές. Παρόλα αυτά, ο αλγόριθμος απαιτεί οι κόμβοι να αποθηκεύουν συνεχώς το εκτιμώμενο κέρδος στο κανάλι και την γωνία άφιξης του κάθε σήματος που λαμβάνει από το κανάλι ελέγχου. Αυτό είναι αρκετά δύσκολο να επιτευχθεί και έχει αρκετό υπολογιστικό φόρτο. POWMAC (Power Controlled MAC Protocol). Το POWMAC είναι ένα ολοκληρωμένο πρωτόκολλο με χρήση ενός καναλιού και επικεντρωμένο στην ρυθμαπόδοση. Αντί για την ανταλλαγή ενός ζεύγους πακέτων ελέγχου (RTS/CTS) σε μια χειραψία, χρησιμοποιεί ένα παράθυρο πρόσβασης (AW: Access Window) για την ανταλλαγή συνεχών RTS/CTS πακέτων πριν από τις πολλαπλές και ταυτόχρονες εκπομπές δεδομένων. Το μήκος του AW ρυθμίζεται δυναμικά βάση των πληροφοριών του τοπικού επικοινωνιακού φόρτου. Οι πληροφορίες αποφυγής συγκρούσεων διακινούνται με τα πακέτα CTS. Στην Εικόνα 7.4 περιγράφεται η βασική λειτουργία του POWMAC. H πληροφορία αποφυγής συγκρούσεων στο πακέτο CTS από τον κόμβο i είναι η τιμή του μέγιστου ανεκτού ορίου παρεμβολών: P (i) MTI = (P (i) MAI add)/ (1 + α)n (j) AW όπου P (i) MAI add: η μέγιστη ισχύς παρεμβολής που μπορεί να αντέξει ο i N (j) AW: το μέγεθος του AW του πομπού j

75 Page 75 α: σταθερά (βάση παρεμβολών μελλοντικών εκπομπών εκτός της εμβέλειας ανίχνευσης φέροντος των κόμβων i και j) Εικόνα 7.4 Βασική λειτουργία του POWMAC (A.F.) Έτσι εγγυείται η πληρότητα των απαιτήσεων του SINR (Signal to Noise and Interference Ratio) στον κόμβο i. Σχήμα βασιζόμενο στον Προγραμματισμό Οι συγκρούσεις σε επίπεδο MAC μειώνουν αρκετά την επίδοση και την ενέργεια του δικτύου. Προτάθηκαν πρωτόκολλα MAC βασιζόμενα στον προγραμματισμό με τα οποία θα αποφεύγονται οι συγκρούσεις σε επίπεδο MAC. Προγραμματίζοντας στην συχνότητα (FDMA: Frequency Division Multiple Access), στον χρόνο (TDMA) ή στον κώδικα (CDMA), συντονίζονται οι εκπομπές των κόμβων στην προκαθορισμένη ζώνη συχνοτήτων ή χρονικές στιγμές ή κώδικα αντίστοιχα. Λόγω του ότι βασίζονται στην Θεωρία Γράφων, καθιστά εύκολη την ανάλυση της επίδοσης τους και της αλληλεπίδρασης με τα άλλα επίπεδα στοίβας πρωτοκόλλων απ ότι στα πρωτόκολλα MAC τυχαίας προσπέλασης. Ιδέα Elbatt/Ephremides. Εισήγαγαν την έννοια παραδεκτής μετάδοσης με m ζεύξης η οποία ικανοποιεί την προϋπόθεση ύπαρξης ομάδας ισχύων P ij >0, ώστε SINR ij >β. Ο αλγόριθμος τρέχει σε δυο εναλλακτικές φάσεις: προγραμματισμού και ελέγχου ισχύος, και τερματίζει όταν βρεθεί μια αποδεκτή ομάδα κόμβων. Στην φάση προγραμματισμού συντονίζονται οι εκπομπές για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις και στην δεύτερη φάση προσδιορίζονται οι ομάδες επιπέδων ισχύος οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν σε κάθε κόμβο. Για παράδειγμα ένας αλγόριθμος εφαρμόζει: P i (N+1) = min [P max, β/sinr i (N).P i (N)] όπου P i : ισχύς εκπμπής του κόμβου i β: το κατώτατο όριο SINR για αξιόποιστη επικοινωνία Το κέρδος από τον συγκεκριμένο αλγόριθμο είναι η μείωση σε μεγάλο βαθμό της υπολογιστικής επιβάρυνσης και απλοποιεί την δομή, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί υψηλές επιδόσεις. Το πρόβλημα όμως

76 Page 76 είναι ότι χρειάζεται ένας κεντρικός ελεγκτής για την εφαρμογή των προγραμματισμένων επικοινωνιών, κάτι το οποίο δεν είναι εφικτό στα ασύρματα δίκτυα ad hoc. Ιδέα Kozat. Παρόμοια με την ποιο πάνω ιδέα αλλά επιπλέον προσπαθεί να μειώσει την συνολική ισχύ εκπομπής σε κάθε χρονική θέση και ταυτόχρονα να εγγυείται την ποιότητα επικοινωνίας (εύρος ζώνης και ποσοστό σφαλμάτων σε bit). Προτείνονται δυο προσεγγίσεις: σχεδιασμός από πάνω προς τα κάτω ή από κάτω προς τα πάνω. Η πρώτη προσέγγιση προσπαθεί να βρει τον μέγιστο αριθμό συνδέσεων και μετά να μειώσει περεταίρω την κατανάλωση ενέργειας μεταφέροντας συνδέσεις από χρονικές θέσεις που είναι υπερβολικά απασχολημένες, σε άλλες άδειες ή λιγότερο απασχολημένες (Εικόνα 7.5). Η δεύτερη προσέγγιση εντοπίζει σε κάθε επανάληψη και μια σύνδεση και την μεταφέρει σε χρονική θέση που δεν είναι φορτωμένη. Εικόνα 7.5 Ιδέα Kozat Σχεδιασμός από πάνω προς κάτω (Α.F.) Ιδέα Behzad. Η λύση προτείνεται με εφαρμογή γραφήματος παρεμβολών το οποίο βασίζεται στην ισχύ και χρησιμοποιεί τα ζεύγη επικοινωνίας (i 1, j 1 ) και (i 2, j 2 ) ως κορυφές που συνδέονται μόνο όταν ισχύει ένα από τα εξής: Οι κόμβοι i 1, j 1, i 2 και j 2 δεν είναι διακριτοί Οι εκπομπές i 1 j 1 και i 2 j 2 δεν μπορούν να ξεκινήσουν ταυτόχρονα Η ιδέα (Εικόνα 7.6) είναι ότι η πολιτική προγραμματισμού που εφαρμόζεται αποφασίζει βάση του γραφήματος κατά πόσον δυο επικοινωνίες μπορούν να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα και ο αλγόριθμος διανεμημένου ελέγχου ισχύος επιλέγει το επίπεδο ισχύς των εκπομπών τους.

77 Page Το πρόβλημα σε επίπεδο Δικτύου Εικόνα 7.6 Ιδέα Behzat (A.F.) Ο έλεγχος ισχύος στο επίπεδο MAC γίνεται με την επιλογή της ελάχιστης ισχύος ώστε το SINR στον παραλήπτη να είναι πάνω από το όριο. Αυτή η προσέγγιση επιφέρει μόνο τοπική βελτίωση στο δίκτυο. Εφαρμόζοντας όμως και επιπρόσθετο έλεγχο στο επίπεδο δικτύου επιτυγχάνεται ολική βελτίωση αφού οι παραλήπτες των μεταδόσεων (άρα και η δρομολόγηση) καθορίζονται σε αυτό το επίπεδο. Η δρομολόγηση είναι κύρια λειτουργία στο επίπεδο δικτύου και η ισχύς εκπομπής παίζει καθοριστικό ρόλο αφού επηρεάζει το ποιος θα είναι ο επόμενος κόμβος αναπήδησης στο πρωτόκολλο δρομολόγησης. Για την επίτευξη των διάφορων ενεργειακά αποδοτικών πρωτόκολλων δρομολόγησης έχουν προταθεί διάφορες συναρτήσεις. Ιδέα Neely. Εφαρμόζει δυναμική δρομολόγηση και κατανομή ισχύς σε ασύρματο δίκτυο με χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια και στοχαστικές μεθόδους S(t) ως πρότυπο, παίρνοντας τιμές από πεπερασμένο χώρο καταστάσεων και με πιθανοτικούς π s μέσους χρόνους για κάθε κατάσταση S. Ο χρόνος είναι χωρισμένος σε κανονικοποιημένες θέσεις. Στην έναρξη κάθε χρονικής θέσης οι κόμβοι καθορίζουν το ρυθμό μετάδοσης για κάθε ζεύξη δημιουργώντας ένα πίνακα P(t) με τους περιορισμούς ισχύος και ο ρυθμός καθορίζεται από την αντίστοιχη καμπύλη ρυθμού ισχύος: μ(p(t), S(t)). Επίσης προτείνει αλγόριθμο δυναμικής δρομολόγησης και έλεγχου ισχύος (DRPC: Dynamic Routing and Power Control) για την επίτευξη της χωρητικότητας σε επίπεδο δικτύου και προσφέρει εγγυημένες καθυστερήσεις έχοντας πάντα υπόψη τις επιπτώσεις από την δημιουργία ουρών (queuing).

78 Τα πακέτα εισέρχονται τυχαία στον κάθε κόμβο και περιμένουν στην ουρά μέχρι να σταλούν στον προορισμό τους. Ο αλγόριθμος DRPC βασίζεται στους αλγορίθμους μέγιστων διαφορικών καθυστερήσεων: 1. Για όλες τις ζεύξεις (α,b) πρέπει να βρεθεί το c * αb(t) ώστε Page 78 Και ορίζει 2. Κατανομή Ισχύος: Η επιλογή του πίνακα P(t) ώστε 3. Δρομολόγηση: Καθορισμός των ρυθμών μετάδοσης Η U (c) a(t) εκφράζει την συσσώρευση της c (πληροφορίας) στον κόμβο α στην αρχή της χρονικής θέσης t και η W * ab την μέγιστη διαφορική συσσώρευση μεταξύ των κόμβων α και b. Στον DRPC η δρομολόγηση βασίζεται στην πληροφορία συσσώρευσης σε κάθε κόμβο. Ιδέα Savas. Προσεγγίζει το θέμα σαν πρόβλημα περιορισμένης βελτιστοποίησης και δημιουργεί ένα βοηθητικό γράφημα G(V,E) όπου V=RUT. Το R είναι ο αριθμός των κόμβων στο δίκτυο και το T=U iϵr T(i), όπου T(i)={t(i,l) i ϵ R, l =1,2,,L}. Το l είναι τα πιθανά επίπεδα ισχύος εκπομπής για τους κόμβους i. Τα άκρα του γραφήματος ικανοποιούν μια από τις πιο κάτω συνθήκες: (1) i ϵ R και j ϵ T(i): δίνει διαδρομές ροής για δεδομένα προς αναμετάδοση (2) i ϵ T και j ϵ R: δείχνει ότι η δεδομένη μετάδοση θα παραλειφθεί από όλους Προσεγγίζουν το θέμα δηλαδή σαν πρόβλημα μαθηματικής βελτίωσης και τα αριθμητικά αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι ο κοινός έλεγχος δρομολόγησης και ισχύος μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη αξιοποίηση του καναλιού και την αύξηση της ρυθμαπόδοσης του δικτύου. 7.5 Το πρόβλημα σε επίπεδο Μεταγωγής Ο έλεγχος ισχύος της εκπομπής επηρεάζει αρκετά τον έλεγχο συμφόρησης σε επίπεδο μεταγωγής οπότε χρειάζεται μια βέλτιστη λύση με συνδυασμό τον έλεγχο της ισχύος και της συμφόρησης. Ιδέα Kelly. Οι μηχανισμοί ελέγχου συμφόρησης αντιμετωπίζονται ως διανεμημένοι αλγόριθμοι οι οποίοι λύνουν το παρακάτω πρόβλημα μεγιστοποίησης της αξιοποίησης του δικτύου:

79 Page 79 Μεγιστοποίηση: ΣU s (x s ) που υπόκειται στο Σx s c l, όπου, sϵl(s) και x 0 x={x s }: οι μεταβλητές βελτιστοποίησης { c l }: χωρητικότητα ζεύξης (σταθερές) L(s): σύνολο ζεύξεων l που προήλθαν από την πηγή s U s : συνάρτηση χαρακτηρισμού κόμβου ( αύξουσα με κοίλη) Οι χωρητικότητες ζεύξης {c l } θεωρούνται σταθερές, κάτι το οποίο όμως δεν ισχύει στα ασύρματα δίκτυα Ad Hoc. Ένας αλγόριθμος πρέπει να διαθέτει το σωστό ποσοστό ισχύος στους σωστούς κόμβους για ανακούφιση των σημείων συμφόρησης αυξάνοντας την χωρητικότητα και ρυθμαπόδοση TCP. Η προσέγγιση αυτή όμως περιπλέκει τα πράγματα γιατί η αλλαγή της ισχύος εκπομπής θα επιφέρει αλλαγές στην ρυθμαπόδοση σε άλλες ζεύξης λόγω παρεμβολών. Έτσι το δίκτυο θα χρειαστεί να εφαρμόσει ελαστικές χωρητικότητες ζεύξης: Μεγιστοποίηση: Βάση του: c l (P), l ϵ L(s), x 0, l Οι μεταβλητές βελτιστοποίησης είναι οι ρυθμοί πηγών x={x s } και ισχύς εκπομπών P={P l }. Επίσης οι χωρητικότητας ζεύξεως {c l } είναι μη γραμμικές και βασικές συναρτήσεις για τις ισχύς εκπομπών P. Ιδέα Chiang. Βάση των πιο πάνω παρατηρήσεων, προτείνει ένα αλγόριθμο βελτιστοποίησης που ελέγχει ταυτόχρονα συμφόρηση και ισχύ. Επίσης, για την επίλυση του προβλήματος διεκδίκησης του καναλιού σε επίπεδο MAC και δικτύου, εφαρμόζεται η πρόσβαση στο μέσο βάση CDMA και με προκαθορισμένη δρομολόγηση απλής διαδρομής. Ο αλγόριθμος ελέγχου συμφόρησης βασίζεται στον αλγόριθμο TCP Vegas ο οποίος συγκεντρώνεται στην καθυστέρηση των πακέτων παρά στην απώλεια τους. Έτσι η πηγή προσαρμόζει το μέγεθος του παραθύρου βάση της καθυστέρησης (αναμονής) μεταξύ πομπού και δέκτη. Κατά την διάρκεια κάθε χρονικής θέσης, εκτελούνται ταυτόχρονα οι τέσσερεις πιο κάτω ενημερώσεις μέχρι να επιτευχθεί σύγκληση: 1. Σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο ενημερώνεται έμμεσα η καθυστέρηση αναμονής (γ>0: σταθερά): 2. Σε κάθε κόμβο υπολογίζεται η ολική καθυστέρηση D s και χρησιμοποιείται προς ενημέρωση του μεγέθους (w s ) του παραθύρου TCP, οπότε ενημερώνεται και ο ρυθμός (x s )στον πομπό:

80 Page Κάθε πομπός j υπολογίζει ένα μήνυμα m j (t) ϵ R +, βάση τοπικά υπολογισμένων ποσοτήτων, και με την χρήση πρωτοκόλλου πλημμύρας (flooding protocol) παραδίδει το μήνυμα σε όλους τους άλλους πομπούς: 4. Κάθε πομπός ενημερώνει το επίπεδο ισχύς του βάση τοπικά υπολογισμένων ποσοτήτων και των ληφθέντων μηνυμάτων (κ>0: σταθερά): Ο αλγόριθμος ελέγχου ισχύος ενημερώνει το επίπεδο ισχύος σε μια ζεύξη με δυο τρόπους. Πρώτα αυξάνει την ισχύ αναλόγως της τρέχουσας τιμής ζεύξης και αντιστρόφως ανάλογα του τρέχοντος επιπέδου ισχύος. Μετά την μειώνει βάση του μέσου αθροίσματος των μηνυμάτων από όλες τις άλλες μεταδόσεις. Αν υπάρχει υψηλή τοπική καθυστέρηση λόγω αναμονής, τότε πρέπει να αυξηθεί η ισχύς εκπομπής. Αν όμως οι καθυστερήσεις είναι υψηλές λόγω αναμονής σε άλλες ζεύξεις τότε θα πρέπει να μειώσει την ισχύ του για να μειωθούν οι παρεμβολές. Στην Εικόνα 7.7 παρουσιάζεται η αλληλεπίδραση μεταξύ ελέγχου ισχύος και συμφόρησης. Έχει αποδειχθεί ότι η ιδέα Chiang μπορεί να οδηγήσει σε βέλτιστη λύση. Εικόνα 7.7 Αλληλεπίδραση μεταξύ ελέγχου ισχύος και συμφόρησης (A.F.) * Shadow Price: Από το θεώρημα Kelly όπου η βέλτιστη τιμή αλλάζει χαλαρώνοντας τους περιορισμούς κατά μια μονάδα.

81 Page Ανοικτά Προβλήματα Παρά τις μελέτες που γίνονται στον τομέα των WSN, υπάρχουν κρίσιμα προβλήματα που παραμένουν άλυτα, κυρίως λόγω της εμφάνισης νέων τεχνολογιών σε φυσικό επίπεδο. Μερικά από αυτά είναι: Η αποδοτικότητα από τον έλεγχο της ισχύος μετάδοσης. Δεν έχει δοθεί ακόμη λεπτομερή ανάλυση για τα υπέρ και κατά από την χρήση τέτοιου ελέγχου σε συστήματα που βασίζονται στην διεκδίκηση του καναλιού. Έτσι παραμένει ανοικτό το θέμα του κατά πόσο είναι αναγκαίος μηχανισμός. Έλεγχος ισχύος με προηγμένες τεχνολογίες φυσικού επιπέδου. Νέες τεχνολογίες όπως MIMO (πολλαπλών εισόδων/πολλαπλών εξόδων) και οι Κατευθυνόμενες Κεραίες αξίζει να μελετηθούν ώστε να συνδυαστούν με τον έλεγχο ισχύος για περεταίρω βελτίωση της απόδοσης του δικτύου. Έλεγχος ισχύος σε μέσο πρόσβασης με περιορισμένες παρεμβολές. Με την ανεπάρκεια των σύγχρονων αλγόριθμων CSMA (π.χ. το πρωτόκολλο ) σε θέματα ρυθμαπόδοσης, η αποφυγή συγκρούσεων χρειάζεται να αναλυθεί με προσέγγιση στον περιορισμό παρεμβολών παρά την ανίχνευση φέροντος (επίδραση στο SINR στους δέκτες). Πρακτικές Εφαρμογές. Με σκοπό την χωρική επαναχρησιμοποίηση ή την μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης τα περισσότερα σχήματα κάνουν μη ρεαλιστικές παραδοχές στο φυσικό επίπεδο ή αυξάνουν σημαντικά την πολυπλοκότητα σχεδίασης του πρωτοκόλλου MAC. Οπότε χρειάζεται αρκετή δουλειά προς την εύρεση πρακτικών και απλών πρωτοκόλλων MAC εις βάρος της απόδοσης σε μικρό επίπεδο. 7.7 Ενεργειακά Αποδοτικά Πρωτόκολλα Ένα βασικό συμπέρασμα από τα πιο πάνω είναι η δυσκολία ταυτόχρονης επίτευξης όλων των στόχων σε ένα δίκτυο WSN. Ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες μιας συγκεκριμένης εφαρμογής, ο κάθε στόχος ταξινομείται βάση προτεραιότητας και γίνονται ανάλογες περικοπές. Οπότε είναι σημαντικό να υπάρχει ποικιλία πρωτοκόλλων για να μπορούν καλύψουν τις διάφορες απαιτήσεις. Παρακάτω θα αναλυθούν δυο ενεργειακά αποδοτικά πρωτόκολλα: Local Target Protocol (Πρωτόκολλο Τοπικού Στόχου) Εφαρμόζει τοπική βελτιστοποίηση με σκοπό την μείωση μετάδοσης δεδομένων. Variable Transmission Range Protocol (Πρωτόκολλο Μεταβλητής Εμβέλειας Μετάδοσης) Προσαρμόζει δυναμικά την εμβέλεια μετάδοσης προς παράκαμψη των κόμβων οι οποίοι τείνουν να χρησιμοποιούνται υπερβολικά και αποφεύγοντας έτσι πιθανά εμπόδια. Η ανάλυση θα συγκεντρωθεί στο επίπεδο δικτύου και σε προσομοιώσεις που θα βοηθήσουν στην διερεύνηση της απόδοσης. Συγκεκριμένα, η ασυμπτωτική ανάλυση μπορεί να αποδείξει την αποδοτικότητα και να εγγυηθεί της αξιοπιστία για την επιθυμητή επεκτασιμότητα των πρωτοκόλλων σε δίκτυα WSN πολύ μεγάλης έκτασης. Επίσης, η εξομοίωση επιτρέπει την διερεύνηση της επίδρασης μεγάλου αριθμού τεχνικών προδιαγραφών πραγματικών συσκευών.

82 Page LTP: Πρωτόκολλο διάδοσης δεδομένων hop by hop Το πρωτόκολλο παρουσιάστηκε από τους έλληνες ερευνητές Χατζηγιάννη, Νικολετσέα και Σπιράκη. Υιοθετούν μια δισδιάστατη προσέγγιση όπου ένα σύννεφο έξυπνης σκόνης (ομάδα κόμβων) είναι διασκορπισμένο σε μια περιοχή (Εικόνα 7.8). Εικόνα 7.8 Σύννεφο Έξυπνης Σκόνης (A.F.) Στο μοντέλο, το d είναι ο αριθμός των κόμβων ανά m 2 (πυκνότητα) και R η μέγιστη εμβέλεια εκπομπής κάθε κόμβου. Επίσης κάθε άπειρη γραμμή στην περιοχή των κόμβων ονομάζεται Τοίχος Λήψης W (αρκεί και πεπερασμένος τοίχος κατάλληλου μήκους) και θεωρείται πως έχει μεγάλη επεξεργαστική ισχύ με την ικανότητα συλλογής και ανάλυσης δεδομένων, όπως και σταθερής τροφοδοσίας (χωρίς ενεργειακούς περιορισμούς). Στην ουσία ο τοίχος αποτελεί το κέντρο ελέγχου (σταθμός) στο οποίο αναφέρονται τα διάφορα γεγονότα. Επιπλέον, όταν τοποθετηθεί το δίκτυο έξυπνης σκόνης, ξεκινά μια διαδικασία ρύθμισης όπου με ειδικά μηνύματα ελέγχου (μικρά και χωρίς επιβάρυνση) που εκπέμπονται μόνο μια φορά, ενημερώνονται οι κόμβοι για την τοποθεσία του W Το Πρωτόκολλο Η απόσταση μεταξύ δύο κόμβων είναι d(p i, p j ) και η κάθετη απόσταση του p i από τον W είναι d(p i, W). Η πληροφορία υλοποίησης ενός γεγονότος Ε συμβολίζεται με info(e) και p είναι ο κόμβος που ανιχνεύει το γεγονός και εκτελεί το πρωτόκολλο. Κάθε κόμβος p που λαμβάνει την info(e) περνά από τις ακόλουθες φάσεις: Φάση Ανίχνευσης: Με κατευθυνόμενη περιοδική εκπομπή χαμηλής ενέργειας ανακαλύπτει ένα κόμβο p που βρίσκεται πιο κοντά στον W (Εικόνα 7.9). Φάση Απευθείας Μετάδοσης: Ο p εκπέμπει την info(e) στο p (Εικόνα 7.10). Φάση Οπισθοδρόμησης: Αν μετά από συνεχόμενες επαναλήψεις αποτύχει να βρει ένα p, τότε ο p επιστρέφει την info(e) πίσω στον αρχικό κόμβο p.

83 Page 83 Εικόνα 7.9 Φάση Ανίχνευσης (From Book) Εικόνα 7.10 Φάση Μετάδοσης (A.F.) Θεωρητική Ανάλυση Στην ιδανική περίπτωση όπου τα σωματίδια απέχουν μεταξύ τους R πάνω στην κάθετη γραμμή p W, ο βέλτιστος αριθμός αναπηδήσεων για να φτάσει τον W συμβολίζεται με h opt (p,w). Το Π είναι ένα πρωτόκολλο διάδοσης έξυπνης σκόνης που χρησιμοποιεί διαδρομή εκπομπής μήκους L(Π,p,W) για την αποστολή πληροφορίας γεγονότος E στον τοίχο W ενώ ο πραγματικός αριθμός αναπηδήσεων είναι h(π,p,w). Έτσι η αποδοτικότητα του Π στις αναπηδήσεις είναι ο λόγος: C h = h(π,p,w)/h opt (p,w) όπου h opt (p,w) = d(p,w)/r

84 Page 84 Αν η επιλογή του πρωτόκολλου Π ή η τοποθέτηση των κόμβων γίνεται τυχαία τότε ο αριθμός αναπηδήσεων h και ο λόγος απόδοσης C h είναι τυχαίες μεταβλητές και χρειάζεται να μελετηθούν οι αναμενόμενες τιμές τους. Τα πιο πάνω είναι αναγκαία επειδή η εύρεση του επόμενου πλησιέστερου σωματιδίου προς τον W μπορεί να μην είναι στην κάθετη ευθεία μεταξύ του τρέχον σωματιδίου και του W. Η δυσκολία αυτή δημιουργείται κυρίως από την τυχαιότητα των ακίνητων σωματιδίων, την πιθανή έλλειψη σωματιδίων με επαρκή ενέργεια προς την κατάλληλη κατεύθυνση και την πιθανότητα οι ζητούμενοι κόμβοι να είναι προσωρινά σε κατάσταση sleep. Για ευκολία στην ανάλυση του πρωτοκόλλου, γίνεται η ακόλουθη παραδοχή απλούστευσης: Κατά την φάση ανίχνευσης βρίσκεται πάντα ο p (με επαρκή μπαταρία) εντός του ημικυκλίου της εμβέλειας R του p με κατεύθυνση προς τον W. Φυσικά η παραδοχή αυτή μπορεί να μην εφαρμοστεί σε περιπτώσεις όπου: Γίνονται επαναλήψεις ανίχνευσης (π.χ. κάποιος αναγκαίος κόμβος ήταν σε κατάσταση sleep στις πρώτες αποτυχημένες επαναλήψεις). Αντί για το ημικύκλιο, λαμβάνεται υπόψη ο κυκλικός τομέας που ορίζεται από τους κύκλους με ακτίνα R ΔR και R ( λαμβάνοντας υπόψη την πυκνότητα του έξυπνου σύννεφου). Αν κατά την διάρκεια της φάσης ανίχνευσης, το πρωτόκολλο αποτύχει να βρει κόμβο πιο κοντά στον τοίχο οπότε μπορεί να επιστρέψει την πληροφορία. Θεωρείται επίσης ότι η θέση του p είναι ομοιόμορφη στο τόξο γωνίας 2α γύρω από την κάθετη γραμμή p W και ότι κάθε αναπήδηση έχει σταθερό χρόνο. Ακόμη, η επιλογή κάθε στόχου είναι στοχαστικά ανεξάρτητη από τις άλλες, δηλ. βρίσκεται τυχαία με ομοιομορφία στο τόξο ( α,α). Το πρώτο πρωτόκολλο που ανέπτυξαν ονομάστηκε Πρωτόκολλο Τοπικού Στόχου (σε περιπτώσεις ομοιομορφίας α στόχων ή αλλιώς α Uniform) και χρησιμοποιεί μια απλή και γρήγορη φάση ανίχνευση. Η αναμενόμενη απόδοση των αναπηδήσεων είναι: E(C h ) α/sinα, για μεγάλο h opt (αρ. αναπηδήσεων μέχρι W) και 1 E(C h ) π/2 1.57, για τόξο 0 α π/2 Δηλαδή στην καλύτερη περίπτωση επιτυγχάνει λόγο βελτίωσης π/2 (1.57) Τοπική Βελτιστοποίηση: Πρωτόκολλο M2TP (Min Two Uniform Targets Protocol) Εδώ θεωρείται ακόμη ότι η φάση ανίχνευσης επιστρέφει δύο σημεία, p και p, με ομοιομορφία στο ( α,α) και ένα τροποποιημένο πρωτόκολλο M2TP επιλέγει το καλύτερο. Είναι μια βελτιωμένη έκδοση του Πρωτοκόλλου Τοπικού Στόχου και με παρόμοιο τρόπο οι συγγραφείς αποδεικνύουν ότι η αναμενόμενη απόδοση των αναπηδήσεων στο M2TP (σε περιπτώσεις ομοιομορφίας α στόχων ή αλλιώς α Uniform) είναι E(C h ) α 2 /[2(1 cosα)] για τόξο 0 α π/2 και μεγάλο h

85 Page 85 Να σημειωθεί ότι Και Οπότε αποδεικνύεται ότι η αναμενόμενη απόδοση των αναπηδήσεων με πρωτόκολλο M2TP είναι 1 E(C h ) π 2 / για τόξο 0 α π/2 και μεγάλο h Σε σύγκριση με το Πρωτόκολλο Τοπικού Στόχου, λόγω της επιπρόσθετης ανίχνευσης το M2TP επιτυγχάνει ένα σχετικό κέρδος (π/2 π 2 /8)/(π/2) 21.5% VTRP: Πρωτόκολλο μεταβλητής εμβέλειας μετάδοσης Το πρωτόκολλο VTRP έχει προταθεί από μια ομάδα με επικεφαλή ένα ακόμη έλληνα ερευνητή, τον Τ.Αντωνίου. Μελέτησαν το πρόβλημα ανίχνευσης πολλαπλών γεγονότων και της διάδοσης (ενεργειακά αποδοτική και με ανοχή στα σφάλματα) των πληροφοριών στο σταθμό (σταθερός ή κινητός). Η βασική ιδέα είναι η μεταβλητότητα της εμβέλειας μετάδοσης με στόχο την καλύτερη απόδοση σε περιπτώσεις όπως: a) Δίκτυο αισθητήρων χαμηλής πυκνότητας. Σε τέτοιες περιπτώσεις η χρήση σταθερής εμβέλειας μετάδοσης μπορεί να οδηγήσει σε επανειλημμένες διαδικασίες επιστροφής προς τα πίσω όταν δεν βρίσκεται κόμβος πιο κοντά στον σταθμό. Με αύξηση της εμβέλειας όμως αυξάνουν και οι πιθανότητες εύρεσης επιθυμητών κόμβων. b) Περιοχές με εμπόδια ή με ελαττωματικούς/σε κατάσταση αδράνειας αισθητήρες. Το VTRP αποδίδει καλύτερα σε τέτοιες περιπτώσεις λόγω της πιθανότητας αύξησης της εμβέλειας. Ακόμη παρακάμπτει κρίσιμους αισθητήρες (π.χ. όσους είναι κοντά στον σταθμό) που τείνουν να χρησιμοποιούνται περισσότερο, παρατείνοντας έτσι την διάρκεια ζωής του δικτύου. Τα πιο πάνω φαίνονται με μια απλή σύγκριση του πρωτόκολλου VTRP με ένα άλλο σταθερής εμβέλειας, το LTP. Η ικανότητα διάδοσης της πληροφορίας προς τον σταθμό με χρήση του LTP εξαρτάται από την πυκνότητα κόμβων στο δίκτυο. Πειράματα δείχνουν ότι σε μικρές πυκνότητες ο LTP αποτυγχάνει να μεταφέρει το μήνυμα στον σταθμό ενώ ο VTRP ξεπερνά το πρόβλημα αυτό αυξάνοντας την εμβέλεια. Επίσης ο LTP παρουσιάζει θεμελιώδη ελαττώματα στην περίπτωση πολλαπλών γεγονότων επειδή η ικανότητα μεταφορά της πληροφορίας εξαρτάται σημαντικά από την διάρκεια ζωής των κόμβων γύρω από τον σταθμό. Όταν αυτοί οι κόμβοι ξεμείνουν από ενέργεια τότε ολόκληρο το δίκτυο βγαίνει εκτός λειτουργίας. Ο VTRP όμως έχει την ικανότητα να αναφέρει πολλαπλά γεγονότα με απόδοση 100%. Αναλόγως των απαιτήσεων ενός δικτύου, έχουν αναπτυχθεί και διαφορετικοί μηχανισμοί εναλλαγής της εμβέλειας μετάδοσης:

86 VTRPp: Η εμβέλεια αυξάνεται έντονα. VTRPr: Τυχαία επιλογή μεταξύ συναρτήσεων εναλλαγής εμβέλειας για επίτευξη καλύτερης μέσης απόδοσης. Page 86 Αυτοί οι μηχανισμοί αυξάνουν το ποσοστό επιτυχίας κατά 50% σε σχέση με τον βασικό VTRP και σχεδόν 200% απ ότι ο αρχικός LTP Το Μοντέλο Στο μοντέλο εδώ (Εικόνα 7.11) θεωρείται ότι η εμβέλεια εκπομπής (R) αλλάζει ενώ η γωνία εκπομπής (α) είναι σταθερή και δεν αλλάζει κατά την διάρκεια της λειτουργίας του δικτύου (για να αλλάξει η γωνία χρειάζεται αλλαγή ή μετακίνηση της κεραίας). Το μοντέλο μπορεί επίσης να λειτουργήσει και σε επικοινωνίες ευρείας μετάδοσης (π.χ. α=2π). Εικόνα 7.11 Κατευθυνόμενη Μετάδοση γωνίας α (A.F.) Υπάρχουν τρείς καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρίσκεται ένας κόμβος: Εκπομπή μηνύματος, Λήψη μηνύματος και Ανίχνευση γεγονότων. Η κατανάλωση ενέργειας στις καταστάσεις Εκπομπής και Λήψης είναι αυτή που χρειάζεται για να λειτουργήσει το κύκλωμα εκπομπής και λήψης (E elec ) και αυτή που χρειάζεται για τον ενισχυτή εκπομπής να φτάσει το επιθυμητό SNR (e amp ). Υπάρχει επίσης κατανάλωση της τάξης r 2 λόγω της εκπομπής στο κανάλι σε απόσταση r. Οπότε για την εκπομπή ενός μηνύματος k bit σε απόσταση r, καταναλώνονται E T (k,r) = E T elec (k) + E T amp (k,r) E T (k,r) = E elec.k + e amp.k.r 2 όπου E T elec : κατανάλωση από το κύκλωμα εκπομπής

87 Page 87 Και για την λήψη E R (k) = E R elec (k) E R (k,r) = E elec.k όπου E R elec : κατανάλωση από το κύκλωμα λήψης Υπάρχουν δηλαδή τρία είδη κατανάλωσης: E T (από τον πομπό), E R (από τον δέκτη) και E idle (όταν σε κατάσταση αδράνειας) Το Πρόβλημα Αν θεωρήσουμε ότι ανιχνεύονται Κ γεγονότα E i και το κάθε ένα εντοπίζεται από ένα κόμβο p i (i=1,2,,k), τότε το πρόβλημα P διάδοσης πολλαπλών γεγονότων είναι ως εξής: Πώς μπορεί ο κάθε κόμβος, σε συνεργασία με τους υπόλοιπους, να διαδώσει (αποτελεσματικά και με ανοχή στα σφάλματα) την πληροφορία info(e i ) για να αναφέρει το γεγονός E i στον σταθμό; Λόγω της πυκνής ανάπτυξης των κόμβων, η επικοινωνία μεταξύ δυο κόμβων αντί της απευθείας εκπομπής στον σταθμό έχει αρκετά προτερήματα. Η εξοικονόμηση ενέργειας θα είναι αρκετά μεγαλύτερη, βοηθά στην αποφυγή εμποδίων και ενισχύεται η ασφάλεια (δεν ανιχνεύεται εύκολα από άλλους η διεργασία επικοινωνίας λόγω της χρήσης χαμηλών επιπέδων ενέργειας). Από την άλλη όμως, η χρήση εκπομπών μεγάλης εμβέλειας περιορίζει τον αριθμό των κόμβων που συμμετέχουν στην διαβίβαση της πληροφορίας και παρέχει καλύτερους χρόνους ανταπόκρισης από το δίκτυο. Επιτρέπουν ακόμη την χρήση αποδοτικών μεθόδων κατασκευασμένων για ασύρματα δίκτυα Ad Hoc όπως την ανάπτυξη συστάδων. Συγκεκριμένα, ένα σχήμα συστάδων δίνει την δυνατότητα μείωσης του όγκου πληροφορίας συσσωρεύοντας τις πληροφορίες προς εκπομπή από τους επικεφαλής των συστάδων. Μπορούν δηλαδή να υπάρξουν διάφορες προσεγγίσεις για την επίλυση του προβλήματος διάδοσης πολλαπλών γεγονότων P. Η ανάλυση εδώ θα συγκεντρωθεί στις παρακάτω ιδιότητες: a) Αποφυγή εμποδίων Η ανάγκη αύξησης της εμβέλειας εκπομπής b) Ανοχή στα σφάλματα Η ανάγκη αύξησης της εμβέλειας προς εντοπισμό ενεργών κόμβων όταν οι πιο κοντινοί είναι ελαττωματικοί, σε κατάσταση αδράνειας ή η πυκνότητα του δικτύου είναι αραιή. c) Μακροζωία Δικτύου Οι διαθέσιμοι κόμβοι μειώνονται καθώς ξεμένουν από ενέργεια οπότε το δίκτυο καταστείτε σταδιακά λιγότερο αποτελεσματικό. Με την χρήση του VTRP μπορεί να αποφθεχθεί η χρήση των κόμβων που είναι κοντά στον σταθμό και χρησιμοποιούνται συχνά στα δίκτυα σταθερής εμβέλειας.

88 Page Το Πρωτόκολλο Κάθε σωματίδιο p που λαμβάνει την πληροφορία info(e) εκτελεί τα εξής: Φάση 1: Ανίχνευση Εκπέμπει περιοδικό σήμα και σε χαμηλή ενέργεια προς ανίχνευση σωματιδίου που είναι πιο κοντά στον σταθμό S. Από όσους απαντήσουν, ο p επιλέγει τον p με την καλύτερη θέση ως προς την ευθεία p S. Φάση 2: Απευθείας Μετάδοση Ο p στέλνει την info(e) στον και μετά ένα μήνυμα επιτυχείς στον p. Φάση 3: Εκπομπή Μεταβλητής Εμβέλειας Αν η ανίχνευση για τον p (κοντινότερο σωματίδιο προς τον S) αποτύχει, τότε ο p μπαίνει στην φάση εκπομπής μεταβλητής εμβέλειας. Συγκριμένα, ο κάθε κόμβος διατηρεί ένα μετρητή τ με αρχική τιμή τ=ο και αυξάνεται +1 κάθε φορά που αποτυγχάνει η φάση ανίχνευσης. Ο κόμβος προσαρμόζει την εμβέλεια εκπομπής του R βάση κάποιας συνάρτησης F(τ). Οι συναρτήσεις είναι: (a) Συνεχούς προόδου, VTRP c Κατάλληλη για περιπτώσεις όπου υπάρχουν πολλοί κόμβοι, οπότε μια μικρή αύξηση στην εμβέλεια θα είναι μάλλον αρκετή. Η συνάρτηση ορίζεται ως εξής: F(τ) = R new = R init + c.τ Όπου c: σταθερά μικρής τιμής (π.χ. c=10) (b) Πολλαπλασιαστικής προόδου, VTRP m Εδώ η εμβέλεια του κόμβου αυξάνεται δραστικά οπότε έχει μεγαλύτερες πιθανότητες να βρει έναν άλλο ενεργό κόμβο αλλά υπάρχει φυσικά και μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. F(τ) = R new = R init + R init.m.τ Όπου m: σταθερά μικρής τιμής (π.χ. m=3) (c) Δυναμικής προόδου, VTRP p Εδώ η εμβέλεια αυξάνεται ακόμη πιο γρήγορα εφαρμόζοντας το ακόλουθο σχήμα: F(τ) = R new = R init + R init (τ+1) (d) Τυχαίας προόδου, VTRP r Όταν η πυκνότητα του δικτύου είναι άγνωστη, χρησιμοποιείται σχήμα τυχαιότητας και ορίζεται: F(0) = R init F(τ) = F(τ 1) + R init.r Όπου r: τυχαία τιμή και ϵ (0,8] Επειδή μπορεί να μην υπάρχει μόνο ένα γεγονός που μεταδίδεται προς τον σταθμό, για να αποφθεχθούν επαναλήψεις εκπομπής και άπειροι βρόγχοι, κάθε σωματίδιο έχει περιορισμένη κρυφή μνήμη (cache). Κάθε σωματίδιο που παραλαμβάνει κάποιο γεγονός, ελέγχει την μοναδική ταυτότητα του (ID: η μοναδική ταυτότητα του σωματιδίου + η χρονική στιγμή εντοπισμού). Αν το ID του πακέτου (γεγονότος) είναι ήδη στην κρυφή του μνήμη, δεν το προωθήσει και το απορρίπτει.

89 Page Εφαρμογή Για την εφαρμογή των πιο πάνω πρωτόκολλων έχει αναπτυχθεί ο προσομοιωτής simdust, ο οποίος λειτουργεί σε περιβάλλον Linux και χρησιμοποιεί C++, όπως και την Βιβλιοθήκη Αποδοτικών τύπων Δεδομένων και Αλγορίθμων (LEDA: Library of Efficient Data types and Algorithms). Ένα μεγάλο χαρακτηριστικό του simdust είναι η ικανότητα προσομοίωσης χιλιάδων κόμβων, οπότε δεν υπάρχει πολυπλοκότητα επέκτασης του δικτύου ή χρονοβόρες διαδικασίες εκτέλεσης που υπάρχουν σε άλλους προσομοιωτές. Επίσης το simdust επιτρέπει στον σχεδιαστή να εφαρμόσει το πρωτόκολλο με την χρήση μόνο της C++ και στο τέλος κάθε προσομοίωσης δημιουργεί όλες τις αναγκαίες στατιστικές. Τα κύρια σημεία στην εφαρμογή του simdust είναι τα εξής: Κυκλικότητα Λειτουργία Κάθε γύρος αντιπροσωπεύει ένα χρονικό διάστημα κατά το οποίο ένα σωματίδιο μπορεί να εκπέμψει ή να λάβει ένα μήνυμα και να το επεξεργαστεί. Παραδοχές σε επίπεδο MAC Το simdust αφήνει το επίπεδο MAC να αναλάβει τις συγκρούσεις μεταξύ εκπομπών. Ενεργειακές Παραδοχές Θεωρείται ότι κάθε σωματίδιο καταναλώνει μια σταθερή ποσότητα ενέργειας E elec σε κάθε γύρο λειτουργίας του. Επίσης η κατανάλωση ενέργειας σε κάθε εκπομπή είναι ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης εκπομπής. Όταν είναι σε κατάσταση λήψης, ο κόμβος καταναλώνει την ενέργεια E elec που χρειάζεται το κύκλωμα πομποδέκτη. Τέλος, ένας κόμβος μπορεί να μπει σε κατάσταση αναμονής (sleep mode) για να εξοικονόμηση ενέργεια. Μέγεθος Μηνύματος Όσο αφορά την κατανάλωση από την εκπομπή των bits ενός μηνύματος, θεωρείται ότι τα μηνύματα πληροφορίας χρειάζονται 1 Kbyte και άλλα 40 bits ως header (32 bits για την ταυτότητα του αποστολέα και 8 bits που καθορίζουν τον τύπο του μηνύματος) Απόδοση Σε κάθε εκτέλεση πειράματος, από τα Κ συνολικά γεγονότα (E 1, E 2,, E Κ ), κ είναι αυτά που παραδίδονται επιτυχώς στον σταθμό και άρα ο ρυθμός επιτυχίας ορίζεται ως P s =κ/κ. Ένα ακόμη σημαντικό στοιχείο της απόδοσης είναι η μέση διαθέσιμη ενέργεια (Ε i ) του κάθε σωματιδίου από τις οποίες μπορεί μετά να υπολογιστή η συνολική διαθέσιμη ενέργεια του δικτύου: E tot = Ei, (οι τιμές E tot και E i αλλάζουν συνεχώς) Τέλος, ένας ακόμη παράγοντας που δίνει πληροφορίες για την απόδοση είναι ο αριθμός των σωματιδίων που παραμένουν ζωντανοί (h A ) και η συλλογή χρήσιμων πληροφοριών όπως: Γεωγραφική κατανομή εκείνων που ξεμένουν πιο γρήγορα από μπαταρία Η κατανάλωση ενέργειας στους σημαντικούς κόμβους (π.χ. όσοι είναι κοντά στον σταθμό)

90 Page Αποτελέσματα Προσομοίωσης Πιο κάτω παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα από προσομοιώσεις. Πυκνότητα του δικτύου Εντός περιοχής 2000 x 2000 m τοποθετούνται ομοιόμορφα n σωματίδια, όπου nϵ[1000, 800]. Σε κάθε εκτέλεση παράγεται ένα γεγονός επιλέγοντας τυχαία ένα σωματίδιο από το δίκτυο. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στην Εικόνα Αποδεικνύεται ότι για χαμηλές πυκνότητες (n 2000) ο LTP αποτυγχάνει σχεδόν πάντα να αναφέρει το γεγονός στον σταθμό ενώ για n 5000 αυξάνει κατακόρυφα η απόδοση του. Από την άλλη, ο VTRP δείχνει σταθερή απόδοση και ότι μπορεί να αναφέρει τα γεγονότα με υψηλό ποσοστό. Εικόνα 7.12 Ποσοστό επιτυχίας αναλόγως της πυκνότητας (A.F.)

91 Page 91 Πολλαπλά γεγονότα Εντός περιοχής 2000 x 2000 m τοποθετούνται ομοιόμορφα n σωματίδια, όπου n=5000. Σε κάθε εκτέλεση παράγεται ένα γεγονός σε τυχαία θέση όπου θα ανιχνεύεται μόνο από ένα σωματίδιο. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να παραχθούν συνολικά 9000 γεγονότα. Τα αποτελέσματα απόδοσης των LTP και VTRP παρουσιάζονται στην Εικόνα Εικόνα 7.13 Ποσοστό επιτυχίας P s για πολλαπλά γεγονότα (A.F.) Και πάλι φαίνεται η καλύτερη απόδοση του VTRP σε σύγκριση με το LTP όπου δείχνει οτι μπορεί να αναφέρει τον διπλάσιο αριθμό γεγονότων. Αυτή η διαφορά εξηγείται από το γεγονός ότι στο LDP οι κόμβοι που είναι κοντά στον σταθμό συμμετέχουν συνεχώς στην μεταφορά των μηνυμάτων μέχρι που τελικά θα εξαντληθούν καθιστώντας έτσι το υπόλοιπο δίκτυο άχρηστο και ανεκμετάλλευτα τα όσα σωματίδια έχουν ακόμη ενέργεια. Το VTRP όμως έχει την δυνατότητα να προσαρμόζει την εμβέλεια των σωματιδίων όταν ξεμένει από ενέργεια κάποιο που είναι κοντά στον σταθμό.

92 Page 92 Στην Εικόνα 7.14 παρουσιάζονται στιγμιότυπα δικτύου LDP με n=5000 σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Εικόνα 7.14 Στιγμιότυπα δικτύου με LDP (3 + A.F.) Παρατηρώντας την Εικόνα 7.15 φαίνεται ότι το VTRP καταναλώνει ελάχιστα περισσότερη ενέργεια απ ότι το LTP λόγω της μεταφοράς περισσότερων γεγονότων στον σταθμό. Για την ακρίβεια, όσο δεν φτάνει το μήνυμα στον σταθμό, το VTRP αναγκάζει τα σωματίδια να καταναλώσουν περισσότερη ενέργεια ακόμη και αν αυτό οδηγήσει στην εξουθένωση τους.

93 Page 93 Εικόνα 7.15 Συνολική Ενέργεια E tot για πολλαπλά γεγονότα και n=5000 (A.F.) Τα πιο πάνω φαίνονται καλύτερα στα ακόλουθα στιγμιότυπα (Εικόνα 7.16). Εικόνα 7.16 Στιγμιότυπα δικτύου με VTRP (3 + A.F.)

94 Page 94 Για πιο ολοκληρωμένη εικόνα, η Εικόνα 7.17 και Εικόνα 7.18 δείχνουν τον αριθμό των ενεργών κόμβων βάση των αποστάσεων τους από τον σταθμό για το LTP και VTRP αντίστοιχα (n=5000). Οι κόμβοι έχουν χωριστεί σε 32 τμήματα βάση του διαχωρισμού της διαγωνίου που ενώνει τα σημεία (0,0) και (2000, 2000). Παρατηρείται ότι ο συνολικός αριθμός ενεργών κόμβων κοντά στον σταθμό (για τα τμήματα 1 10) μειώνεται με την πάροδο του χρόνου (ιδίως στο VTRP). Εικόνα 7.17 Ενεργοί κόμβοι (h A ) σε LDP (A.F.) Εικόνα 7.18 Ενεργοί κόμβοι (h A ) σε VTRP (A.F.)

95 Απόδοση των 4 συναρτήσεων κατά την Φάση 3: Εκπομπή Μεταβλητής Εμβέλειας Εντός περιοχής 2000 x 2000 m τοποθετούνται ομοιόμορφα n σωματίδια, όπου n=5000 και παράγονται 9000 γεγονότα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στις Εικόνα Page 95 Εικόνα 7.19 Ποσοστό επιτυχίας P s των 4 συναρτήσεων (A.F.) Εικόνα 7.20 Συνολική Ενέργεια E tot των 4 συναρτήσεων (A.F.)

96 Page 96 Εικόνα 7.21 Ενεργοί κόμβοι (h A ) για την συνάρτηση VTRP c (A.F.) Εικόνα 7.22 Ενεργοί κόμβοι (h A ) για την συνάρτηση VTRP m (A.F.)

97 Page 97 Εικόνα 7.23 Ενεργοί κόμβοι (h A ) για την συνάρτηση VTRP p (A.F.) Εικόνα 7.24 Ενεργοί κόμβοι (h A ) για την συνάρτηση VTRP r (A.F.)

98 Page 98 Από την Εικόνα 7.19 φαίνεται ότι η VTRPc έχει το μικρότερο ποσοστό επιτυχίας ενώ οι άλλες τρείς συναρτήσεις είναι στα ίδια επίπεδα. Τα ίδια συμπεράσματα βγαίνουν και από την Εικόνα 7.20 (συνολική κατανάλωση ενέργειας). Αν και η VTRPc κάνει την μεγαλύτερη εξοικονόμηση, στην πραγματικότητα, αυτό είναι το αποτέλεσμα του ότι αποτυγχάνει να επικοινωνήσει με τον σταθμό (όπως και στην περίπτωση του LTP). Μία πιθανή εξήγηση για την συμπεριφορά του VTRPc είναι ότι οι αλλαγές στην εκπομπή γίνονται με μικρά και σταθερά βήματα. Στην αρχή της λειτουργίας του δικτύου αυτά τα μικρά βήματα είναι αρκετά για να φτάσει στον σταθμό η πληροφορία. Όσο όμως αυξάνονται οι ανενεργοί κόμβοι γύρω από τον σταθμό, η πιο πάνω λειτουργία καταστείτε ανεπαρκής. Τα μικρά βήματα σε συνδυασμέ με αποτυχημένες ανιχνεύσεις, αποδυναμώνουν τους κόμβους μέχρι που τελικά ξεμένουν από ενέργεια και η πληροφορία δεν φτάνει ποτέ στον σταθμό.