ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΥΛΙΚΟΥ & ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΥΛΙΚΟΥ & ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Διπλωματική Εργασία ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΚΡΙΤΗΡΙΩΝ ΣΕ AD HOC ΔΙΚΤΥΟ ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΚΑΡΑΓΙΩΡΓΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Α.Μ. 90 Επιβλέπων Καθηγητής: Εμμανουήλ Βαρβαρίγος Εξεταστική Επιτροπή: Εμμανουήλ Βαρβαρίγος Σωτήρης Νικολετσέας Κυριάκος Βλάχος ΠΑΤΡΑ 2006

2 Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει στόχο να μελετήσει και να ασχοληθεί με τα ασύρματα ad hoc δίκτυα και ειδικότερα με τεχνικές διαχείρισης της ενέργειας ώστε να επιτευχθεί επέκταση του χρόνου ζωής των κόμβων και κατά συνέπεια του δικτύου. Τα ασύρματα ad hoc δίκτυα ανήκουν στο είδος των κινητών δικτύων και αποτελούν ένα μεγάλο ερευνητικό πεδίο λόγω των ιδιοτήτων που παρουσιάζουν, πχ δεν απαιτούν την ύπαρξη κάποιας σταθερής υποδομής, αλλά και των εφαρμογών τους. Η ανάγκη για επικοινωνία παντού και πάντα δίνει ιδιαίτερη αξία στην ανάπτυξη του τομέα των ad hoc δικτύων. Για να μπορέσουν όμως τα εν λόγω δίκτυα να έχουν ευρεία αποδοχή θα πρέπει να αντιμετωπιστούν κάποια κρίσιμα ζητήματα. Το πιο σημαντικό από αυτά είναι η ενέργεια. Λόγω της φύσης τους, η παροχή ενέργειας επιβάλλεται να γίνεται μέσω μπαταριών, κάτι που κάνει επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης μεθόδων η οποίες θα επιδιώκουν την βέλτιστη αξιοποίησή της. Στην εργασίας μας αυτή ξεκινάμε δίνοντας μια εισαγωγή της φιλοσοφίας των ad hoc δικτύων, τις εφαρμογές τους καθώς και τα ανοιχτά θέματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά των μεθόδων διαχείρισης της ενέργειας ανάλογα με το που μπορούν να εφαρμοστούν. Έπειτα επιδιώκεται να αναδειχτεί η ανάγκη για τον χειρισμό της εμφάνισης της παρεμβολής στα ad hoc δίκτυα, και πως αυτή επηρεάζει την κατανάλωση ενέργειας. Ακολουθεί η έννοια της δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, πάνω στην οποία στηρίχτηκε η παρούσα εργασία, η εύρεση διαδρομών δηλαδή που θα λαμβάνουν υπόψη τους τα κριτήρια που θα τίθενται κάθε φορά. Όλα τα παραπάνω προσπαθήσαμε να μελετήσουμε και να συνδυάσουμε ώστε να ελέγξουμε την απόδοσή τους μέσω πειραμάτων. Την εργασία κλείνουν τα συμπεράσματα που προέκυψαν. ii

3 Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Γενικά Ασύρματα ad hoc δίκτυα Εφαρμογές των ad hoc δικτύων Θέματα έρευνας στα ad hoc δίκτυα Η ενέργεια στα ad hoc δίκτυα Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα Μέθοδοι διαχείρισης της ενέργειας Δικτυακές μέθοδοι διαχείρισης της ενέργειας Μέθοδοι ελέγχου της ισχύος μετάδοσης του αποστολέα Μέθοδοι power management Συμπεράσματα Η παρεμβολή στα ασύρματα ad hoc δίκτυα Γενικά Το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού και ο μηχανισμός Mac RTS/CTS Μοντέλα μέτρησης της παρεμβολής Interference-based δρομολόγηση Multi-cost δρομολόγηση Γενικά Ορισμοί Αλγόριθμος υπολογισμού των μη-κυριαρχημένων μονοπατιών. 36 iii

4 4.4 Επίσημη περιγραφή του αλγορίθμου Μοντέλο Εξομοίωσης του multi-cost αλγορίθμου Γενικά Μετρικές Ορισμός των συναρτήσεων βελτιστοποίησης Το μοντέλο Υλοποίησης Τα αποτελέσματα Μετρούμενα μεγέθη Άπειρη αρχική ενέργεια Πεπερασμένη αρχική ενέργεια Απόδοση των max/min αλγορίθμων Συμπεράσματα. 65 References...67 iv

5 Κατάλογος Σχημάτων & Πινάκων Σχήμα 1.1: (a) Αναπαράσταση ad hoc δικτύου, (b) Μεταβολή της τοπολογίας εξαιτίας της κίνησης των κόμβων. 5 Σχήμα 2.1: Κατηγοριοποίηση των μεθόδων διαχείρισης της ενέργειας..11 Σχήμα 2.2: Τα πλεονεκτήματα της χρήσης της μεθόδου power control (a) χωρίς power control και (b) κάνοντας power control..12 Σχήμα 2.3: Ο κόμβος A στέλνει στον B. Ο C θα μπορούσε να κλείσει τον ράδιο-δέκτη του εφόσον δεν πρόκειται να λάβει πακέτο που τον αφορά 15 Σχήμα 2.4: Σενάριο που μπορεί να οδηγήσει σε γρήγορή εξάντληση των αποθεμάτων ενέργειας του κόμβου F...17 Σχήμα 3.1: Το φαινόμενο του κρυμμένου τερματικού...25 Σχήμα 3.2: Ο χώρος μέσα στον οποίο βρίσκεται κρυμμένο τερματικό από τον αποστολέα. Η αποστολή του CTS πακέτου ενημερώνει τους κόμβους της κρυμμένης περιοχής για την μετάδοση που πρόκειται να συμβεί Σχήμα 3.3: Η παρεμβολή του συνδέσμου (u, v) είναι ο αριθμός των κόμβων που απέχουν από τον u ή τον v λιγότερο από uv Σχήμα 3.4: Κόμβοι με χαμηλό βαθμό δεν εγγυώνται μικρή παρεμβολή Σχήμα 3.5: Ο κόμβος i είναι τοποθετημένος στη θέση 2 i...30 Σχήμα 4.1: Γραφική αναπαράσταση των μονοπατιών: (a) Το σύνολο P όλων των μονοπατιών. (b) Οι σχέσεις κυριαρχίας μεταξύ τους. (c) Το σύνολο των μηκυριαρχημένων μονοπατιών. 36 Σχήμα 4.2: Γράφος που προκύπτει από δίκτυο. Κάθε σύνδεσμος χαρακτηρίζεται από ένα διάνυσμα με 2 κόστη που το ένα είναι προσθετικό και το άλλο περιοριστικό. 37 v

6 Πίνακας 4.1: Η εξέλιξη του αλγορίθμου για την εύρεση του συνόλου των μη κυριαρχημένων μονοπατιών Σχήμα 5.1: Παράδειγμα επεξήγησης των συναρτήσεων βελτιστοποίησης.. 44 Σχήμα 5.2: Παράδειγμα επεξήγησης της δυναμικής ισχύς μετάδοσης...46 Σχήμα 5.3: Δίκτυο για επεξήγηση του τρόπου μέτρησης της παρεμβολής..46 Σχήμα 5.4: Η παρεμβολή στο MAC Σχήμα 5.5: Η προσθήκη του πεδίου txpower και η νέα διαμόρφωση του format του RTS πακέτου Σχήμα 6.1: Η μέση υπολειπόμενη ενέργεια στους κόμβους του δικτύου μετά την ολοκλήρωση της μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για άπειρη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά Σχήμα 6.2: Η διασπορά της μέσης υπολειπόμενης ενέργειας στους κόμβους του δικτύου μετά την ολοκλήρωση της μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για άπειρη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά..53 Σχήμα 6.3: Ο μέσος αριθμός των συνδέσμων των μονοπατιών δρομολόγησης. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για άπειρη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά...54 Σχήμα 6.4: Ο αριθμός των συγκρούσεων των πακέτων δεδομένων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για άπειρη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά Σχήμα 6.5: Το throughput μετά την ολοκλήρωση της μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για άπειρη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά Σχήμα 6.6: Η μέση καθυστέρηση της μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για άπειρη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά.57 Σχήμα 6.7: Η μέση υπολειπόμενη ενέργεια στους κόμβους του δικτύου μετά την ολοκλήρωση της προσπάθειας μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά 58 vi

7 Σχήμα 6.8: Η διασπορά της υπολειπόμενης ενέργειας στους κόμβους του δικτύου μετά την ολοκλήρωση της προσπάθειας μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά...59 Σχήμα 6.9: Ο λόγος ληφθέντων προς μεταδιδόμενα πακέτα. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά...59 Σχήμα 6.10: Ο μέσος αριθμός των συνδέσμων των μονοπατιών δρομολόγησης. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά..60 Σχήμα 6.11: Ο αριθμός των συγκρούσεων των πακέτων των δεδομένων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά Σχήμα 6.12: Το throughput μετά την ολοκλήρωση της προσπάθειας μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά.62 Σχήμα 6.13: Η μέση καθυστέρηση της μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι προσθετικά.. 62 Σχήμα 6.14: Η διασπορά της υπολειπόμενης ενέργειας στους κόμβους του δικτύου μετά την ολοκλήρωση της προσπάθειας μετάδοσης των πακέτων. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι αντιπροσωπευτικά κατά μέγιστο.. 63 Σχήμα 6.15: Ο λόγος ληφθέντων προς μεταδιδόμενα πακέτα. Το πείραμα εκτελέστηκε σε τυχαίο δίκτυο για πεπερασμένη αρχική ενέργεια και αφορά τις συναρτήσεις όπου τα κόστη της παρεμβολής και της ισχύς μετάδοσης είναι αντιπροσωπευτικά κατά μέγιστο..64 vii

8 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο τη δρομολόγηση σε wireless ad hoc δίκτυα και ειδικότερα την αναζήτηση τεχνικών οι οποίες αποσκοπούν στη καλύτερη δυνατή διαχείριση της ενέργειας που διαθέτουν οι κόμβοι ώστε να επεκταθεί η διάρκεια ζωής του δικτύου. 1.1 Γενικά. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση προσωπικών υπολογιστών από κινούμενους χρήστες παρουσιάζει ιδιαίτερη αύξηση. Η διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη για επικοινωνία αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες τάσεις της εποχής μας με αποτέλεσμα τα δίκτυα επικοινωνίας να αποκτούν ιδιαίτερη βαρύτητα σε τεχνολογικό επίπεδο. Οι πρόσφατες εξελίξεις στη τεχνολογία οδήγησαν στην ανάπτυξη των ασύρματων τεχνολογιών, οι οποίες θα αλλάξουν την έννοια του όρου «βρίσκομαι σε επαφή». Για παράδειγμα ήδη πολλοί άνθρωποι χρησιμοποιούν το τηλέφωνο του γραφείου τους για να λαμβάνουν μηνύματα ενώ οι ίδιοι απουσιάζουν και βασίζονται στα κινητά τους τηλέφωνα για πιο σημαντικά ή βιαστικά μηνύματα. Στις μέρες μας ο στόχος των ασύρματων δικτύων είναι να καταφέρουν η επικοινωνία να είναι εφικτή παντού και πάντα. Ο στόχος αυτός οδηγεί στη περαιτέρω εξέλιξη των ασύρματων δικτύων ώστε συσκευές όπως τα notebooks και PDAs να μπορέσουν να αποτελέσουν μέρος ενός ενιαίου δικτύου σύνδεσης. Όπως είναι φανερό από τα παραπάνω, τα ασύρματα δίκτυα είναι τομέας αυξημένου ενδιαφέροντος σε ερευνητικό και επιχειρηματικό επίπεδο. Αν και η έρευνα στο τομέα αυτό είναι σχετικά πρόσφατη, έχει επιτευχθεί σπουδαία πρόοδος. Σήμερα όχι μόνο οι υπολογιστές γίνονται πιο ικανοί αλλά αναπτύσσονται νέες εφαρμογές και προϊόντα ασύρματης μεταφοράς δεδομένων που είναι πολύ πιο βελτιωμένα από αυτά του παρελθόντος. Το εύρος ζώνης που διατίθεται αυτή τη στιγμή για φορητούς υπολογιστές πάνω από ραδιοζεύξεις είναι 10 έως 100 φορές

9 1. Εισαγωγή 2 περισσότερο απ ότι ήταν 10 χρόνια πριν, κάτι που έχει αλλάξει τη καθημερινή ζωή μεγάλης μερίδας ανθρώπων. Κατηγοριοποιώντας τα ασύρματα δίκτυα ανάλογα με τις εφαρμογές που εξυπηρετούν και τη τεχνολογία που χρησιμοποιούν τα διακρίνουμε σε Κυψελικά (cellular) τηλεφωνικά δίκτυα. Είναι η πιο ευρέως διαδεδομένη κατηγορία ασύρματων δικτύων που χρησιμοποιείται από τους χρήστες. Κατά κύριο λόγο παρέχουν υπηρεσίες φωνής, αν και εκείνες των δεδομένων έχουν βελτιωθεί αισθητά τα τελευταία χρόνια αφού ολοένα υπάρχει προσπάθεια για την αύξησης του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε αυτά. Δορυφορικά δίκτυα. Σε αυτά τα δίκτυα, κάθε επικοινωνία μεταξύ δύο επίγειων σταθμών γίνεται δια μέσου δορυφόρου. Ο δορυφόρος λαμβάνει πακέτα από τους επίγειους αποστολείς και τα προωθεί στους επιθυμητούς επίγειους παραλήπτες. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμα σε περιπτώσεις όπου τα κυψελικά δίκτυα είναι δύσκολο ή αδύνατο να αναπτυχθούν. Τοπικά ασύρματα δίκτυα δεδομένων (Wireless LAN). Τα εν λόγω δίκτυα καλύπτουν μια σχετικά μικρή περιοχή εντός της οποίας οι χρήστες επικοινωνούν μεταξύ τους ασύρματα καθώς επίσης υπάρχει και η δυνατότητα σύνδεσής τους σε άλλα ενσύρματα ή ασύρματα δίκτυα όπως πχ το Internet. Μητροπολιτικά ασύρματα δίκτυα δεδομένων (WAN). Πρόκειται για δίκτυα τα οποία έχουν το μέγεθος μιας πόλης και επιτρέπουν τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των χρηστών που βρίσκονται εντός αυτής. Ασύρματα ad hoc δίκτυα (Mobile Ad-hoc Networks MANET). Ονομάζονται και δίκτυα μετάδοσης ραδιοπακέτων και σχηματίζονται από ένα σύνολο κινητών κόμβων οι οποίοι μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους χωρίς την ύπαρξη κάποιας σταθερής υποδομής. Τα συγκεκριμένα δίκτυα θα μας απασχολήσουν στη συνέχεια της εργασίας μας και θα αναλυθούν λεπτομερέστατα. Άλλα δίκτυα. Εδώ μπορούν να αναφερθούν τα Body (BAN), Personal (PAN) Area Networks, sensor networks κ ά. Τα (ΒΑΝ) αποτελούνται από ένα σύνολο φορέσιμων, στο ανθρώπινο σώμα, συσκευών οι οποίες έχουν ακτίνα μετάδοσης γύρω στα 2m, ενώ τα PAN είναι τα δίκτυα που επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών BAN. Τα πρωτοκολλά που χρησιμοποιούν τα παραπάνω δίκτυα είναι είτε το Bluetooth είτε το ΙΕΕΕ , ανάλογα με τις αποστάσεις που καλύπτει το κάθε δίκτυο.

10 Ασύρματα ad hoc δίκτυα Ασύρματα ad hoc δίκτυα. Τα ασύρματα ad hoc δίκτυα διαμορφώνονται από συσκευές οι οποίες είναι ικανές να επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ένα ασύρματο φυσικό μέσο χωρίς να απαιτούν την ύπαρξη κάποιας προυπάρχουσας δικτυακής υποδομής. Αυτά τα δίκτυα, που είναι και γνωστά ως ΜΑΝΕΤ (Mobile Ad hoc NETworks), μπορούν να λειτουργήσουν είτε αυτόνομα διαμορφώνοντας groups από ασύρματες συσκευές, είτε κάποιες από αυτές τις ασύρματες συσκευές να συνδεθούν σε κάποιο άλλο σταθερό δίκτυο ή ακόμα και στο Internet. Αυτός είναι και ο λόγος που τα ad hoc δίκτυα είναι κατάλληλα για περιβάλλοντα όπου η λειτουργία κάποιου άλλου τύπου δικτύου είναι πρακτικά αδύνατη. Επιπροσθέτως, θεμελιώδες χαρακτηριστικό των ad hoc δικτύων είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να διαμορφώνονται on-the-fly χωρίς τη μεσολάβηση ενός κεντρικού administration, επομένως κάθε κόμβος είναι σε θέση να μεταδίδει κατά βούληση σε οποιονδήποτε επιθυμητό προορισμό επιλέγει. Τα τερματικά σε ένα ad hoc δίκτυο μπορούν να λειτουργούν όχι μόνο σαν end systems (να στέλνουν πληροφορία σαν αποστολείς και να λαμβάνουν ως παραλήπτες), αλλά και σαν ενδιάμεσα συστήματα (να προωθούν πακέτα άλλων κόμβων). Επομένως είναι εφικτό δύο κόμβοι να μπορούν να επικοινωνήσουν ακόμα και στη περίπτωση όπου ο ένας δε βρίσκεται στην ακτίνα μετάδοσης του άλλου χρησιμοποιώντας τους ενδιάμεσους κόμβους σαν routers. Αυτός είναι και ο λόγος που τα ασύρματα ad hoc δίκτυα είναι και γνωστά ως multi-hop wireless networks. Συγκρινόμενα τα ad hoc δίκτυα με τα κυψελικά δίκτυα, μπορούμε να πούμε ότι τα πρώτα είναι πιο ευκολοπροσάρμοστα στις αλλαγές κίνησης (traffic) και στις φυσικές συνθήκες Εφαρμογές των ad hoc δικτύων. Όλα τα παραπάνω πλεονεκτήματα των ad hoc δικτύων τα κάνουν ιδιαίτερα ελκυστικά και κατάλληλα για εφαρμογές όπου οι παλιότερες δικτυακές τεχνολογίες δεν μπορούσαν να υλοποιηθούν. Συγκεκριμένα παρακάτω αναφέρουμε τις πιο χαρακτηριστικές: Σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, μετά από φυσικές ή άλλες καταστροφές, όπου όλες οι υποδομές έχουν καταρρεύσει και υπάρχει άμεση απαίτηση για επικοινωνία. Σε virtual αίθουσες, αίθουσες σεναρίων και συνεδριάσεων ή σε ακαδημαϊκά περιβάλλοντα όπου η ανάγκη για επικοινωνία πρέπει να έχει ελευθερία χώρου. Το ad hoc δίκτυο θα πρέπει να μπορεί να εγκατασταθεί από τα laptop ή τα PDAs των παρευρισκομένων ώστε να διευκολυνθεί η συνεργασία και η επικοινωνία μεταξύ τους.

11 1. Εισαγωγή 4 Σε χώρους υγειονομικής περίθαλψης για τους ίδιους με τους παραπάνω λόγους. Σε συστήματα ασφαλείας ή σε συστήματα παρακολούθησης (sensor networks). Τα τελευταία είναι στατικά δίκτυα και χρησιμοποιούνται για τη παρακολούθηση κάποιου μεγέθους, φυσικού φαινομένου ή κάποιας περιοχής και υπάρχει ένας κεντρικός κόμβος που συλλέγει αυτές τις πληροφορίες. Σε στρατιωτικές επιχειρήσεις όπου η εγκατάσταση δικτυακής υποδομή είναι ανέφικτη και οι ανάγκες για επικοινωνία είναι άμεσες (οι κόμβοι μπορούν να τοποθετηθούν πχ στα τανκ, στα αεροπλάνα ή και στους στρατιώτες). Σε δημόσιους χώρους όπως λιμάνια, αεροδρόμια και αυτοκινητόδρομους για παροχή χρησίμων πληροφοριών και τουριστικών οδηγιών. Σε άλλες περιπτώσεις όπως στο σπίτι για τη διευκόλυνση της διαχείρισης των οικιακών συσκευών και τη παροχή νέων υπηρεσιών από αυτές κτλ. Είναι φανερό ότι τα ασύρματα ad hoc δίκτυα αποτελούν μια νέα γενιά δικτύων η οποία θα δώσει λύσεις σε περιπτώσεις όπου μέχρι πρότινος δεν υπήρχαν καθώς επίσης και θα διευκολύνει τη καθημερινότητα μεγάλης μερίδας ανθρώπων λόγω της ευρείας χρήσης που πρόκειται να έχουν Θέματα έρευνας στα ad hoc δίκτυα. Στη παράγραφο αυτή αναφέρουμε κάποια από τα ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν ώστε τα ad hoc δίκτυα να μπορέσουν να έχουν ευρεία απήχηση. Έχουμε τα παρακάτω Συχνές αλλαγές στη τοπολογία του δικτύου. Τα ad hoc δίκτυα, όπως έχουμε ήδη αναφέρει σχηματίζονται από ασύρματους κόμβους οι οποίοι έχουν τη ικανότητα να κινούνται. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που τα δίκτυα αυτά αλλάζουν συνεχώς τοπολογία (σχήμα 1.1). Επίσης η ικανότητα των κόμβων να προσαρμόζουν την ισχύ μετάδοσης τους σε διάφορές τιμές ανάλογα με τις ανάγκες τους, είναι ένας ακόμα λόγος αλλαγής της τοπολογίας αφού αλλάζουν οι σύνδεσμοι επικοινωνίας του κάθε κόμβου του δικτύου. Η επίδραση της δυνατότητας των κόμβων να μπορούν να προσαρμόζουν την ισχύ μετάδοσης τους δυναμικά θα μελετηθεί στη συνέχεια αφού αποτελεί ουσιαστικό στοιχείο της παρούσας εργασίας. Τέλος ένας επιπλέον λόγος που η τοπολογία του δικτύου δεν παραμένει σταθερή είναι και το γεγονός ότι οι κόμβοι διαθέτουν πεπερασμένα αποθέματα ενέργειας με αποτέλεσμα κάποιοι να τα εξαντλούν και να σταματά η λειτουργία τους. Έτσι το δίκτυο τους «χάνει», αλλάζουν οι σύνδεσμοί του και κατά συνέπεια και οι διαδρομές που θα ακολουθηθούν.

12 Θέματα έρευνας στα ad hoc δίκτυα 5 Σχήμα 1.1: (a) Αναπαράσταση ad hoc δικτύου, (b) Μεταβολή της τοπολογίας εξαιτίας της κίνησης των κόμβων Δρομολόγηση Ένα σημαντικό θέμα που προκύπτει από τη συνεχώς μεταβαλλόμενη τοπολογία στα ad hoc δίκτυα είναι να βρεθεί ο τρόπος με τον οποίο θα γίνει η δρομολόγηση των πακέτων και θα υπολογίζονται οι νέες διαδρομές. Η ανάγκη για τη διάχυση της σχετικής με τη τοπολογία πληροφορίας στους κόμβους του δικτυού είναι επιτακτική ώστε να μπορούν να τροποποιηθούν οι διαδρομές που γνωρίζει ο κάθε κόμβος προκειμένου να μπορεί να επικοινωνήσει με τους υπόλοιπους. Οι αλγόριθμοι δρομολόγησης θα πρέπει να μπορούν να προσαρμόζονται γρήγορα στις αλλαγές που έχει υποστεί το δίκτυο έχοντας ως στόχο την καλύτερη απόδοση στη λειτουργίας του.

13 1. Εισαγωγή 6 Επιπροσθέτως κάθε εφαρμογή των ad hoc δικτύων που αναφέρθηκαν παραπάνω έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (traffic, device capabilities, mobility patterns κα) με αποτέλεσμα η δρομολόγηση να αποτελεί μια πρόκληση και μια πληθώρα πρωτοκόλλων να έχουν αναπτυχθεί. Όπως είναι σαφές ένα και μόνο βασικό πρωτόκολλο δεν μπορεί να αποδίδει το ίδιο καλά σε ολόκληρο τον χώρο των ad hoc δικτύων. Επίσης το γεγονός ότι το φυσικό μέσο που χρησιμοποιούν τα ad hoc δίκτυα χαρακτηρίζεται από τη πεπερασμένη χωρητικότητά του και είναι κοινό για όλους, δείχνει ότι η εν λόγω δρομολόγηση είναι πιο δύσκολη απ ότι ήταν στα παραδοσιακά ενσύρματα δίκτυα. Πρέπει να ισορροπηθούν απαιτήσεις που έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους όπως σύντομα μονοπάτια, μικρός αριθμός συγκρούσεων, διατήρηση της συνεκτικότητας του δικτύου κα. Τα υπάρχοντα πρωτόκολλα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε proactive και reactive. Στα proactive υπάρχει η τάση να υπολογίζονται συνεχώς οι διαδρομές μέσα στο δίκτυο. Έτσι όταν ένα πακέτο πρέπει να προωθηθεί η διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει έχει ήδη υπολογιστεί και μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα. Επομένως κάθε κόμβος διαθέτει μια υπαρκτή διαδρομή, κάθε χρονική στιγμή για κάθε προορισμό. Το μειονέκτημα των proactive πρωτοκόλλων είναι το overhead που προστίθεται ώστε να υπάρχει συνεχης ενημέρωση για τη τοπολογία του δικτύου. Στα reactive πρωτόκολλα, από την άλλη πλευρά, λαμβάνεται η απαραίτητη πληροφορία μονό όταν χρειάζεται να υπολογιστεί μια διαδρομή μεταξύ δύο κόμβων και η διαδρομή διατηρείται μόνο για το διάστημα όπου είναι ενεργή. Αυτός είναι και ο λόγος που τα reactive πρωτόκολλα ονομάζονται και on-demand πρωτόκολλα. Τα reactive πρωτόκολλα επιβαρύνουν πολύ λιγότερο το δίκτυο με πακέτα ενημέρωσης (updates) απ ότι τα proactive αλλά πάσχουν από καθυστερήσεις στην εγκατάσταση των διαδρομών όταν μια επικοινωνία ξεκινά. Είναι εφικτό να συνδυαστούν οι δύο παραπάνω τύποι πρωτοκόλλων σε ένα (πχ το Zone Routing Protocol). Άλλοι τρόποι κατηγοριοποίησης των πρωτοκόλλων δρομολόγησης είναι σε locationbased και non location-based, ανάλογα με το αν οι κόμβοι γνωρίζουν μόνο τους ενεργούς συνδέσμους ή όχι και σε hierarchical και flat, ανάλογα με το αν οι κόμβοι ομαδοποιούνται σε clusters ή όχι. QoS Το ζήτημα της ποιότητας υπηρεσιών δεν εισήχθη πρώτα στα ad hoc δίκτυα αλλά υπήρχε και είχε μελετηθεί και στα παραδοσιακά δίκτυα. Εκείνο όμως που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι λόγω της συνεχής μεταβολής της τοπολογίας του δικτύου το πρόβλημα είναι πιο δύσκολο. Όπως λέει και η έκφραση, η ποιότητα των υπηρεσιών αναφέρεται στο ποσοστό που ικανοποιείται ο χρήστης από τις υπηρεσίες που παρέχονται από το επικοινωνιακό σύστημα (δίκτυο). Ο στόχος είναι να μπορέσει να υπάρξει μια όσο το δυνατόν προβλέψιμη συμπεριφορά ώστε να μπορέσει ο κατασκευαστής να εγγυηθεί κατώτατα όρια στις υπηρεσίες που προσφέρει το δίκτυο. Το πρόβλημα εντοπίζεται στο ότι στα ad hoc δίκτυα, στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν υπάρχει διαθέσιμη έγκυρη πληροφορία για τη κατάσταση του δικτύου (λόγω της κινητικότητας των κόμβων), όπως επίσης και στο ότι η QoS εξαρτάται και από τα

14 Θέματα έρευνας στα ad hoc δίκτυα 7 χαρακτηριστικά όλων των components του δικτύου, από τους συνδέσμους μετάδοσης (μεταβλητή χωρητικότητα και υψηλός ρυθμός λαθών) μέχρι το MAC και το network επίπεδο. Έτσι η εγγύηση για ποιότητα υπηρεσιών μπορεί να είναι αδύνατη αφού υπάρχει έλλειψη γνώσης της κατάστασης του δικτύου καθώς επίσης και των διαθέσιμων πόρων που διαθέτει ανά πάσα στιγμή το δίκτυο. Εξαιτίας όλων των παραπάνω λόγων τα πρωτόκολλα που έχουν παρουσιαστεί δεν παρέχουν εγγυήσεις αλλά προσεγγίζουν το θέμα με μεγαλύτερη ανεκτικότητα (Soft QoS) και με τον περιορισμό πως τα δίκτυα θα ικανοποιούν κάποιες απαιτήσεις. Για παράδειγμα υπάρχει πρόταση για δρομολόγηση με QoS σε δίκτυα των οποίων η τοπολογία δεν αλλάζει συχνά και όπου θεωρείται ότι είναι ανεκτή η ύπαρξη μικρών μεταβατικών περιόδων κατά τις οποίες δε θα παρέχεται QoS. Άλλα πρωτόκολλα που παρέχουν soft QoS βασίζονται στη πρόβλεψη της κίνησης των κόμβων και συνεπώς της τοπολογίας του δικτύου ώστε να μην δημιουργούνται καθυστερήσεις για τον υπολογισμό των μονοπατιών. Τέλος θα πρέπει να αναφέρουμε ότι η εξυπηρέτηση με βάση την QoS πρέπει να γίνεται ανάλογα με τις απαιτήσεις του κάθε χρήστη και όχι γενικά για όλους τους χρήστες. Ασφάλεια. Όπως έχει αναφερθεί τα ad hoc δίκτυα χαρακτηρίζονται από το ότι σε αυτά δεν υπάρχει μια κεντρική λειτουργία διαχείρισης του δικτύου και ότι υπάρχει συνεχής αλλαγή της τοπολογίας. Τα χαρακτηριστικά αυτά κάνουν τα ad hoc δίκτυα ευπρόσβλητα σε ένα αριθμό επιθέσεων (attacks). Για να γίνουν αυτά τα δίκτυα ευρέως αποδεκτά στον εμπορικό κόσμο θα πρέπει να επιλυθεί το θέμα της ασφάλειας (security) που είναι υπέρτατης σημασίας και το οποίο είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί. Οι λόγοι είναι η ευπάθεια των ασύρματων συνδέσμων, η περιορισμένη φυσική προστασία των κόμβων, η έλλειψη μιας κεντρικής παρακολούθησης καθώς επίσης και η δυνατότητα που υπάρχει να συνδεθεί στο δίκτυο εξωτερικός εχθρικός κόμβος ο οποίος θα επιχειρήσει να βλάψει το δίκτυο. Ο όρος ασφάλεια υπονοεί την ικανοποίηση πληθώρα απαιτήσεων και αναγκών όπου ενδεικτικά αναφέρουμε μερικές από αυτές στη συνέχεια. Διαθεσιμότητα (availability). Ο όρος διαθεσιμότητα σημαίνει ότι οι υπηρεσίες που παρέχονται από όλους τους κόμβους του δικτύου θα πρέπει να συνεχίζονται να παρέχονται ανεξαρτήτως ύπαρξης επιθέσεων. Οι κόμβοι θα πρέπει να μπορούν να επικοινωνούν ανά πάσα στιγμή. Αυθεντικότητα (authenticity). Με τον όρο αυθεντικότητα εννοείται ότι όσοι κόμβοι συμμετέχουν στην επικοινωνία είναι γνήσιοι. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να υπάρξει κάποιος τρόπος ώστε οι κόμβοι να μπορούν να αποδείξουν την ταυτότητά τους. Εμπιστευτικότητα (confidentiality). Για να ικανοποιηθεί η εμπιστευτικότητα θα πρέπει να μην επιτρέπεται σε κάποιον εξωτερικό κόμβο να μπορεί να προσπελάσει τη πληροφορία που διασχίζει δύο κόμβους.

15 1. Εισαγωγή 8 Ακεραιότητα (Integrity). Το πακέτο ή το μήνυμα που παραδίδεται δε θα πρέπει να έχει τροποποιηθεί. Με άλλα λόγια παραλαμβάνεται ότι έχει αποσταλεί. Επικαιρότητα (timeliness). Με τον όρο επικαιρότητα εννοούμε ότι οι routing ενημερώσεις θα πρέπει να παραδίδονται εγκαίρως. Απομόνωση (isolation). Η απομόνωση απαιτεί το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται να είναι ικανό να απομονώνει όσους κόμβους επιδεικνύουν κακή συμπεριφορά. Εξουσιοδότηση (authorization). Έχει να κάνει με τα προνόμια και τις εξουσιοδοτήσεις που σχετίζονται με τον κάθε κόμβο του δικτύου. Διάφορα μοντέλα έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία για την επίλυση του προβλήματος της ασφάλειας. Ενδεικτικά αναφέρουμε το key management όπου υπάρχει ένα κοινό μυστικό κλειδί που μοιράζονται οι κόμβοι, το secure distance vector routing πρωτόκολλο κα. Χωρητικότητα. Το ερώτημα που προκύπτει εδώ είναι πως μπορεί να μεταχειριστεί η αύξηση του αριθμού των χρηστών σε σχέση με το throughput που μπορεί να επιτευχθεί. Το γεγονός ότι κάθε κόμβος έχει και τον επιπλέον ρόλο να προωθεί ξένα προς αυτόν πακέτα δημιουργεί περαιτέρω παρεμβολή και περιορίζει την ικανότητα εξυπηρέτησης που έχουν ad hoc δίκτυα μεγάλου αριθμού κόμβων. Το μέγεθος ενός ad hoc δικτύου σχετίζεται άμεσα με την ποιότητα των υπηρεσιών που μπορεί να προσφέρει αυτό το δίκτυο. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι όσο μεγαλώνει το μέγεθος ενός ad hoc δικτύου τόσο μικρότερο γίνεται το throughput του δικτύου. Κάποιες άλλες μελέτες έδειξαν ότι υψηλή κινητικότητα των κόμβων μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά το throughput σε κάποιες περιπτώσεις ενώ σε κάποιες άλλες μπορεί να μένει σταθερό το throughput ακόμα και αν ο αριθμός των ασύρματων κόμβων αυξάνει με το χρόνο. Άλλες παράμετροι που επηρεάζουν τη χωρητικότητα (capacity) ενός δικτύου είναι τα πρότυπα κίνηση (traffic patterns) και οι τοπικές ράδιο-αλληλεπιδράσεις. Ο τρόπος επίδρασής τους αναφέρεται με λεπτομέρεια στο [1]. Επίσης στο [2] αναφέρεται πως μπορεί να μειωθεί το delay χωρίς να μειωθεί η χωρητικότητα. 1.3 Η ενέργεια στα ad hoc δίκτυα. Στα ασύρματα δίκτυα το σύνολο των συσκευών που συνδέονται σε αυτά (notebooks, personal digital assistants (PDAs), κινητά τηλέφωνα, αισθητήρες) αναπόφευκτα λειτουργούν με παροχή ισχύος από μπαταρίες. Η ασύρματη φύση τους και η ανάγκη για κινητικότητα είναι οι λόγοι που επιβάλλουν κάτι τέτοιο. Είναι επομένως ξεκάθαρο ότι ο χρόνος ζωής της μπαταρίας είναι κρίσιμος παράγοντας για αυτού του

16 Η ενέργεια στα ad hoc δίκτυα 9 είδους τα δίκτυα και γενικότερα στο τομέα του κινητού υπολογισμού (mobile computing). Η τεχνολογία των μπαταριών υπολείπεται σε σχέση με την αντίστοιχη στο τομέα των τηλεπικοινωνιών την τελευταία δεκαετία. Το γεγονός αυτό οδηγεί στη προσπάθεια σχεδιασμού ενεργό-αποδοτικού υλικού και λογισμικού που θα επεκτείνει το χρόνο ζωής των δικτυακών συσκευών και κατά επέκταση και του δικτύου. Στο σημείο αυτό αναφέρουμε ότι σαν χρόνος ζωής ενός ασύρματου ad hoc δικτύου θεωρούμε τον χρόνο μέχρι να εξαντληθεί η ενέργεια σε κάποιον (οποιονδήποτε) κόμβο. Μία φορητή συσκευή αποτελείται από διάφορα τμήματα υλικού τα οποία καταναλώνουν ενέργεια. Ενδεικτικά αναφέρουμε τα εξής components: display monitor, δίσκος, CPU, μνήμες καθώς και η wireless network interface κάρτα. Η τελευταία μάλιστα μπορεί να καταναλώσει 10-50% των συνολικών αποθεμάτων ενέργειας του συστήματος. Είναι επομένως φανερό ότι υπάρχει η ανάγκη για υποστήριξη σχεδιασμού χαμηλής κατανάλωσης όλων των components που συμμετέχουν στη κατανάλωση ενέργειας. Επίσης αναφέρουμε ότι κάθε κόμβος ενός ασύρματου δικτύου μπορεί να βρίσκεται σε 4 καταστάσεις λειτουργίας: στη κατάσταση μετάδοσης, στη κατάσταση παραλαβής, στη κατάσταση αναμονής και στη κατάσταση αναστολής. Και οι 4 καταστάσεις δαπανούν ενέργεια με τη τελευταία να δαπανά τη μικρότερη. Κατά τη κατάσταση της μετάδοσης η ενέργεια δαπανάται για τη δημιουργία, τη διαμόρφωση και την υπόλοιπη επεξεργασία του σήματος που πρόκειται να μεταδοθεί. Κατά τη κατάσταση της παραλαβής, ενέργεια δαπανάται για την επεξεργασία του λαμβανόμενου σήματος ενώ στη κατάσταση αναμονής ενέργεια δαπανάται για τη παρακολούθηση του φυσικού μέσου μετάδοσης. Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης που παρουσιάζει η 4 η κατηγορία, παρατηρείται προσπάθεια εύρεσης τεχνικών οι οποίες θα μπορούν να προβλέπουν τις χρονικές στιγμές στις οποίες θα μπορούν κάποιοι κόμβοι να μπουν σε κατάσταση αναστολής. Από όλα τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι για να επιτευχθεί χαμηλή κατανάλωση ενέργειας θα πρέπει το πρόβλημα να αντιμετωπιστεί σε όλες τις πτυχές του. Μια και μόνο αποσπασματική αντιμετώπιση δεν μπορεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα και κατά συνέπεια η προσπάθεια θα πρέπει να γίνει προς όλες τις κατευθύνσεις στις οποίες γίνεται αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ενέργειας του δικτύου. Τα πρωτόκολλα εξοικονόμησης ενέργειας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στα transmitter power control και στα Power managements. Στη πρώτη κατηγορία κάθε κόμβος προσαρμόζει την ισχύ μετάδοσής του προς τους υπόλοιπους. Αυτό είχε ως συνέπεια, εκτός από τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τη μείωση της παρεμβολής, την αλλαγή με δυναμικό τρόπο της τοπολογίας του δικτύου. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι και η αύξηση της χρήσης του wireless bandwidth. Στη δεύτερη κατηγορία αναπτύσσονται αλγόριθμοι είτε στο MAC, είτε στο network, είτε σε υψηλότερα επίπεδα οι οποίοι έχουν ως στόχο την καλύτερη διαχείριση της ενέργειας. Περισσότερα θα αναφερθούν σε επόμενο κεφάλαιο.

17 Κεφάλαιο 2 Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα. 2.1 Μέθοδοι διαχείρισης της ενέργειας. Στη τελευταία παράγραφο του προηγούμενου κεφαλαίου έγινε μια εισαγωγή στα ζητήματα ενέργειας που σχετίζονται με τα ad hoc δίκτυα. Ενώ μέχρι πρότινος το ενδιαφέρον εστιαζόταν σε μέτρηση μεγεθών όπως η μέση χρονική καθυστέρηση ενός πακέτου και ο αριθμός των συγκρούσεων, σχετικά πρόσφατα η διαχείριση της ενέργειας έχει αναδειχθεί σε κριτήριο για τη συμπεριφορά ενός ad hoc δικτύου. Αναφέρθηκαν πολύ αφαιρετικά οι κατευθύνσεις που έχουν οι ερευνητικές δουλειές ενώ δείχθηκε ότι για να έχουν νόημα έννοιες όπως η ποιότητα υπηρεσιών πρέπει να επιτευχθεί η βέλτιστη διαχείριση της διαθέσιμης, στους κόμβους ενέργειας. Συγκεκριμένα η ενεργό-αποδοτικότητα μπορεί να προσεγγιστεί με λύσεις σε διάφορα επίπεδα. Σε πρώτο επίπεδο (σχήμα 2.1) μπορούμε να τη διαχωρίσουμε στις λύσεις εκείνες που λαμβάνουν υπόψη τους μόνο τον κόμβο και σε εκείνες που λαμβάνουν υπόψη τους το δίκτυο, τον τρόπο δηλαδή με τον οποίο οι κόμβοι του δικτύου επικοινωνούν μεταξύ τους. Στη πρώτη περίπτωση αναζητούνται λύσεις βέλτιστης διαχείρισης της ενέργειας στα μέρη του λογισμικού και του υλικού που αποτελούν τον κάθε κόμβο, καθώς και στο τομέα της μπαταρίας. Στο τομέα του υλικού, εξετάζονται τρόποι τα μηχανικά μέρη όπως η CPU, μνήμες, κεραίες, κάρτες διεπαφής με το δικτύου κά να καταναλώνουν όσο λιγότερη ενέργεια είναι δυνατόν. Για παράδειγμα στις ασύρματες συσκευές έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι εύρεσης της βέλτιστης ιεραρχίας μνημών με γνώμονα την επαναχρησιμοποίηση των δεδομένων ώστε να ελαχιστοποιηθεί η κατανάλωση ενέργειας λόγω της μεταφοράς των δεδομένων από το σκληρό δίσκο. Στο τομέα του λογισμικού γίνεται προσπάθεια το πρόγραμμα που τρέχει η ασύρματη συσκευή να έχει για παράδειγμα όσο το δυνατόν λιγότερες πράξεις και λιγότερες προσπελάσεις στη μνήμη οι οποίες είναι και οι πιο δαπανηρές σε κατανάλωση ενέργειας.

18 2. Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα 11 Στη δεύτερη περίπτωση αναζητούνται λύσεις στο τομέα της λειτουργίας του δικτύου. Με άλλα λόγια η επικέντρωση γίνεται στο τρόπο που αλληλεπιδρούν οι κόμβοι μεταξύ τους. Σε αυτή τη κατηγορία εντάσσεται και η δική μας πρόταση η οποία θα παρουσιαστεί αναλυτικά στη συνέχεια. Μπορούμε να την διακρίνουμε περαιτέρω στις κατηγορίες διαχείρισης της ενέργειας στα επίπεδα του δικτύου που εφαρμόζονται (πχ MAC επίπεδο, Network κα) και σε εκείνες στις οποίες ελέγχεται η ισχύς μετάδοσης του αποστολέα (transmitter power control). Στις επόμενες παραγράφους θα αναλύσουμε τις κατηγορίες ξεχωριστά. Σχήμα 2.1: Κατηγοριοποίηση των μεθόδων διαχείρισης της ενέργειας. 2.2 Δικτυακές μέθοδοι διαχείρισης της ενέργειας Μέθοδοι ελέγχου της ισχύος μετάδοσης του αποστολέα. Στα ενσύρματα δίκτυα η τοπολογία είναι σταθερή σε αντίθεση με τα ασύρματα δίκτυα όπου συνεχώς αλλάζει, ακόμα και όταν οι κόμβοι δεν κινούνται. Ο λόγος που μπορεί να συμβαίνει αυτό είναι είτε λόγω προσαρμογής της κατεύθυνσης κεραίας μετάδοσης, είτε λόγω προσαρμογής της ισχύος μετάδοσης είτε ακόμα και λόγω εξάντλησης των αποθεμάτων ενέργειας κάποιου κόμβου. Ο όρος του ελέγχου της ισχύος μετάδοσης (power control) αναφέρεται σε τεχνικές οι οποίες μεταβάλλουν την ισχύ μετάδοσης των κόμβων σε μια καθορισμένη τιμή. Η χρήση μεθόδων ελέγχου της ισχύς μετάδοσης έχει δύο πλεονεκτήματα:

19 Μέθοδοι ελέγχου της ισχύος μετάδοσης του αποστολέα 12 Μπορεί να εξοικονομήσει αποθέματα ενέργειας. Μπορεί να μειώσει τη παρεμβολή και έτσι να αυξηθεί η χωρική επαναχρησιμοποίηση (spatial reuse) του ασύρματου bandwidth. Για παράδειγμα ας θεωρήσουμε τη περίπτωση του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 2.2: Τα πλεονεκτήματα της χρήσης της μεθόδου power control (a) χωρίς power control και (b) κάνοντας power control. Στο σχήμα 2.2 (a) οι κόμβοι Α και Β επικοινωνούν αλλά ο Α χρησιμοποιεί πολύ μεγάλη ισχύ μετάδοσης. Ο κύκλος με κέντρο τον Α δείχνει τη περιοχή όπου δημιουργείται παρεμβολή. Όπως είναι φανερό, αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι κόμβοι D και F να μην μπορούν να δεχτούν πακέτα. Το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί κάνοντας power control στον κόμβο Α όπως φαίνεται στη περίπτωση (b). Τώρα τα τρία ζευγάρια κόμβων μπορούν να επικοινωνήσουν ταυτόχρονα χωρίς το ένα

20 2. Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα 13 να δημιουργεί παρεμβολή στο άλλο. Αυτή η ταυτόχρονη επικοινωνία οδηγεί σε αύξηση του ποσοστού χρήσης του ασύρματου bandwidth. Αν και η χρήση power control έχει τα πλεονεκτήματα της εξοικονόμησης ενέργειας και της συνεισφοράς σε ότι αφορά το throughput (ικανότητα μετάδοσης των πακέτων) του δικτύου, αφού επιτρέπονται ταυτόχρονες μεταδόσεις, έχει το μειονέκτημα ότι οδηγεί σε μικρότερη αξιοπιστία και υψηλό ρυθμό λαθών. Αυτό γιατί όπως είναι γνωστό η πιθανότητα λάθους μιας μετάδοσης είναι αντιστρόφως ανάλογη της ισχύος της μετάδοσης. Επίσης όταν η ισχύς μετάδοσης είναι μικρή, οι σύνδεσμοι του δικτύου είναι και λιγότεροι. Αυτό δίνει λιγότερες επιλογές όσο αφορά την επιλογή των μονοπατιών και άρα αυξάνεται η πιθανότητα λάθους. Η εξισορρόπηση των παραπάνω ζητημάτων είναι σημαντικό θέμα σχεδίασης των power control μεθόδων. Διάφορες τεχνικές power control έχουν προταθεί. Στο [3] δίνεται ένα σύνολο κόμβων με την ισχύ μετάδοσης τους να είναι ακαθόριστη και προτείνονται δύο αλγόριθμοι για την κατασκευή ενός 1-connected δικτύου και ενός biconnected δικτύου. Η έξοδος είναι μια ισχύς μετάδοσης για κάθε κόμβο. Οι αλγόριθμοι είναι σχεδιασμένοι για στατικά δίκτυα και κάνουν την υπόθεση ότι όλες οι τοποθεσίες των κόμβων είναι γνωστές. Η κατασκευή είναι παρόμοια με αυτή ενός greedy, ελάχιστου κόστους γενετικού δέντρου. Επιπλέον αναφέρονται και δύο heuristics στα οποία κάθε κόμβος μπορεί να αλλάξει την ισχύ μετάδοσής του με γνώμονα τη διατήρηση του degree του. Όταν το degree είναι κάτω από ένα συγκεκριμένο threshold ο κόμβος μπορεί να αυξήσει την ισχύ μετάδοσης του. Όταν είναι μεγαλύτερο από το threshold τότε μπορεί να μειώσει την ισχύ μετάδοσής του. Βέβαια για να μην οδηγήσουν τα heuristics αυτά σε μη συνεκτικό δίκτυο, θα πρέπει να είναι γνωστή η συνδεσιμότητα (connectivity). Το κόστος κάθε συνδέσμου είναι φυσικά η κατανάλωση ενέργειας. Στο μοντέλο κατανάλωσης που χρησιμοποιείται, η ισχύς με την οποία λαμβάνεται το σήμα στο δέκτη είναι αντιστρόφως ανάλογη προς μια δύναμη (μεταξύ 2 και 4) της απόστασης που χωρίζει τον αποστολέα από τον παραλήπτη. Για να μπορέσουν να λειτουργήσουν όλα τα παραπάνω, απαραίτητη προϋπόθεση είναι οι κόμβοι να γνωρίζουν την θέση στην οποία βρίσκονται αλλά και τις θέσεις των υπόλοιπων κόμβων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με χρήση GPS (Global Positioning System) συσκευών. Οι ενημέρωση των νέων θέσεων μπορεί να γίνει με την ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ των κόμβων και έτσι είναι εφικτό κάθε κόμβος να επικοινωνεί μόνο μέχρι εκεί που είναι απαραίτητο με αποτέλεσμα να εξοικονομείται ενέργεια. Ακόμα θα πρέπει να αναφερθεί ότι έχουν προταθεί και power control τεχνικές ενσωματωμένες στο MAC πρωτόκολλο [4]. Συγκεκριμένα έχει προταθεί να τροποποιηθούν τα headers των CTS και DATA πακέτων ώστε να υποστηρίζουν power control. (Κάτι ανάλογο πραγματοποιήσαμε και εμείς στη πρότασή μας η οποία θα παρουσιαστεί σε επόμενο κεφάλαιο). Δέκα επίπεδα ισχύος χρησιμοποιούνται από τα οποία επιλέγεται ένα κάθε φορά. Ο παραλήπτης ενημερώνει τον αποστολέα για το κατάλληλο επίπεδο ισχύος με ένα CTS πακέτο, ενώ ο αποστολέας ενημερώνει το παραλήπτη με ένα DATA πακέτο. Επομένως σε μια διαδικασία RTS-CTS-DATA- ACK, αποστολέας και παραλήπτης μπορούν να καθορίσουν τη ισχύ μετάδοσης που θα χρησιμοποιήσουν. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει μια μείωση 10-20% στη κατανάλωση ενέργειας και μια αύξηση 15% του throughput. Τέλος στο [5] προτείνεται ένα νέο MAC πρωτόκολλο το οποίο συνδυάζει την RTS/CTS διαδικασία με δύο busy tones. Τα δύο αυτά busy tones είναι το transmission busy tone και το receive busy tone και έχουν ως σκοπό να ενημερώνουν τους γείτονες

21 Μέθοδοι Power Management 14 ενός κόμβου για τις δραστηριότητες της αποστολής και της παραλαβής. Εφόσον οι μεταδόσεις με μεγάλες ισχύς προκαλούν μεγάλη πιθανότητα συγκρούσεων, τα busy tones βοηθούν να λυθεί αυτό το πρόβλημα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το πρωτόκολλο αυξάνει την χρήση του καναλιού λόγω της μείωσης της επικάλυψης των σημάτων καθώς επίσης και μειώνει τη κατανάλωση ενέργειας και της παρεμβολής. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι καθορισμός της ισχύς μετάδοσης κάθε κόμβου είναι σημαντικό θέμα στο σχεδιασμό των ad hoc δικτύων. Παραμένει ανοικτό ακόμα ώστε να βρεθεί η βέλτιστη λύση αφού αυτή θα πρέπει να ικανοποιεί αντικρουόμενες απαιτήσεις (trade off) Μέθοδοι Power Management. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1 οι μέθοδοι αυτής της κατηγορίας διαχωρίζονται ανάλογα με το επίπεδο δικτύου στο οποίο εφαρμόζονται. Έτσι λοιπόν θα παρουσιαστούν κατά σειρά οι μέθοδοι οι οποίες αντιστοιχούν στο MAC επίπεδο, στο network επίπεδο και τέλος στα ανώτερα επίπεδα. MAC-Layer Power Management Λαμβάνοντας υπόψη το OSI μοντέλο, το MAC (Επίπεδο Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο) είναι ένα υπό-επίπεδο του Data Link επιπέδου, ακριβώς επάνω από το physical επίπεδο. Κύριος στόχος του είναι ο συντονισμός και η οργάνωση της πρόσβασης των διαφόρων κόμβων του δικτύου στο κοινό μέσο. Σύμφωνα με το [6] η κατανάλωση ενέργειας των συσκευών αλλά και η γενικότερη απόδοση των ad hoc δικτύων εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τη πολιτική που ακολουθείται στο MAC επίπεδο. Εκτός από τη πρόσβαση στο μέσο, το MAC επίπεδο θα πρέπει να μπορεί να δίνει λύσεις και σε άλλα ζητήματα όπως αυτό του κρυμμένου τερματικού (βλέπε κεφάλαιο 3). Το συγκεκριμένο πρόβλημα προκύπτει όταν σε μια εξελισσόμενη επικοινωνία υπάρχει κόμβος όπου δεν ακούει την ανταλλαγή των πακέτων και ο οποίος βρίσκεται εντός της ακτίνας μετάδοσης του παραλήπτη και εκτός της ακτίνας μετάδοσης του αποστολέα. Ο συγκεκριμένος κόμβος θεωρεί λανθασμένα ότι το μέσο είναι ελεύθερο και επιχειρεί να μεταδώσει με αποτέλεσμα να δημιουργεί σύγκρουση και επομένως να χάνονται τα πακέτα και των δύο μεταδόσεων. Για να λυθεί το παραπάνω πρόβλημα χρησιμοποιούνται τα πακέτα ελέγχου RTS και CTS τα οποία ενημερώνουν τους γείτονες του αποστολέα και του παραλήπτη ότι πρόκειται να πραγματοποιηθεί επικοινωνία μεταξύ τους. Με αυτό τον τρόπο αποτρέπονται οι ανεπιθύμητες παρεμβολές που δημιουργεί το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού. Το πεδίο των πρωτοκόλλων διαχείρισης της ενέργειας σε MAC επίπεδο έχει προσελκύσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον τελευταία. Σε μία από τις δουλειές [7] προτείνεται το Distributed Contention Control (DCC) πρωτόκολλο. Βασιζόμενο στη χρησιμοποίηση των slots και στον αριθμό των προσπαθειών για μετάδοση, το DCC κάνει μια εκτίμηση για τη πιθανότητα μιας επιτυχούς μετάδοσης πριν από τη μετάδοση κάθε frame. Αν η πιθανότητα επιτυχίας είναι αρκετά μικρή τότε η μετάδοση αναβάλλεται ώστε να μειωθεί το overhead που προστίθεται λόγω των

22 2. Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα 15 επαναμεταδόσεων. Σε αντίθετη περίπτωση η μετάδοση πραγματοποιείται άμεσα. Με το DCC η κατανάλωση ενέργειας είναι μικρότερη διότι αφού μειώνεται η πιθανότητα λάθους επιτυγχάνεται και μείωση του αριθμού των επαναμεταδόσεων οι οποίες καταναλώνουν σημαντικό ποσό ενέργειας. Επίσης το προτεινόμενο DCC πρωτόκολλο είναι συμβατό με το IEEE DCF (Distributed Coordination Function). Οι συγγραφείς προτείνουν να υλοποιηθεί το DCC μεταξύ του MAC επιπέδου και του physical επιπέδου. Επιπλέον έχει προταθεί και το Power Save DCC για να ενσωματώσει θέματα ενέργειας στη λήψη της απόφασης για μετάδοση. Μια άλλη σημαντική δουλειά αναφέρεται στο [8]. Προτείνεται το PAMAS (Power Aware Multi-Access protocol with Signaling) πρωτόκολλο για εξοικονόμηση της ενέργειας στα ad hoc δίκτυα. Το PAMAS που είναι ένα MAC πρωτόκολλο βασισμένο στην RTS/CTS διαδικασία, κάνει χρήση δύο διαφορετικών καναλιών: ένα για τη μετάδοση των δεδομένων (data channel) και ένα για τη μετάδοση των μηνυμάτων ελέγχου (signaling channel). Το κανάλι των μηνυμάτων ελέγχου χρησιμοποιείται για την ανταλλαγή των πακέτων RTS/CTS και των busy tones. Η βασική παρατήρηση είναι ότι εξαιτίας της broadcast φύσης των ράδιο-μεταδόσεων, κάθε κόμβος σπαταλά ενέργεια στο να ακούει πακέτα τα οποία δεν προορίζονται για αυτόν. Στο σχήμα 2.3 φαίνεται ότι κατά τη διάρκεια της μετάδοσης από τον Α στον Β, θα ήταν ωφέλιμο ο C να έκλεινε το ράδιο-δέκτη του ώστε να μην καταναλώσει ενέργεια αφού κάθε πακέτο που προορίζεται γι αυτόν πρόκειται να αποτύχει. Με άλλα λόγια το PAMAS πρωτόκολλο επιτυγχάνει μείωση στη κατανάλωση ενέργειας εκμεταλλευόμενο τις περιπτώσεις όπου η μετάδοση και η λήψη σε ένα κόμβο δεν είναι δυνατή. Το επιπρόσθετο κανάλι σημάτων δίνει την ικανότητα στον κόμβο να καθορίζει πότε και για πόσο χρόνο θα πρέπει να κλείσει την κεραία του. Βέβαια απαραίτητη προϋπόθεση είναι τα RTS/CTS πακέτα να μπορούν να παραληφθούν σωστά. Ο κυριότερος στόχος είναι η μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας να μην συνοδεύεται από αύξηση της καθυστέρησης ή από μείωση του throughput. Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων δείχνουν ότι υπάρχει ένα όφελος στην εξοικονόμηση της ενέργειας που κυμαίνεται από 10% έως 60%. Σχήμα 2.3: Ο κόμβος A στέλνει στον B. Ο C θα μπορούσε να κλείσει τον ράδιο-δέκτη του εφόσον δεν πρόκειται να λάβει πακέτο που τον αφορά.

23 Μέθοδοι Power management 16 Τέλος μια άλλη δουλειά αναφέρεται στο [9] όπου προτείνεται το Slow Start Protocol. Αυτό είναι ένα MAC πρωτόκολλο στο οποίο γίνεται χρήση Power control για τη μετάδοση των RTS/CTS και DATA πακέτων. Η βασική ιδέα του πρωτοκόλλου είναι η μετάδοση του RTS πακέτου να μην χρησιμοποιεί αρχικά τη μέγιστη δυνατή ισχύς μετάδοσης (όπως γίνεται στο IEEE ) αλλά οι προσπάθειες να ξεκινούν από ένα χαμηλό επίπεδο ισχύος το οποίο θα αυξάνεται σταδιακά μέχρι να βρεθεί το βέλτιστο για την επιθυμητή επικοινωνία. Το πρωτόκολλο στοχεύει στο να βελτιώσει τα αποτελέσματα που αφορούν την κατανάλωση ενέργειας καθώς επίσης και να αυξήσει τη χωρητικότητα του δικτύου. Τα αποτελέσματα εξομοίωσης έδειξαν ότι το Slow Start πρωτόκολλο παρουσιάζει καλύτερη συμπεριφορά από ότι η περίπτωση όπου γίνεται χρήση μιας και μόνο (σταθερής) τιμής ισχύος μετάδοσης. Network-Layer Power Management Στη παράγραφο αυτή θα μελετήσουμε τεχνικές διαχείρισης της ενέργειας οι οποίες υλοποιούνται στο network επίπεδο των ad hoc δικτύων. Σύμφωνα με το OSI μοντέλο το network επίπεδο βρίσκεται επάνω από το data link επίπεδο και είναι υπεύθυνο για τη δρομολόγηση των πακέτων προς τους ενδεδειγμένους προορισμούς τους. Αν και στα ενσύρματα δίκτυα η λειτουργία της δρομολόγησης γίνεται μόνο μια φορά, κατά την αρχικοποίηση του δικτύου, στα ασύρματα δίκτυα η διαδικασία αυτή είναι συχνή αφού οι κόμβοι κινούνται και οι διαθέσιμες διαδρομές συνέχεια μεταβάλλονται. Έτσι το ασύρματο network επίπεδο χρειάζεται να διαχειρίζεται αυτή τη κινητικότητα των κόμβων κάνοντας ενημερώσεις για τις τοποθεσίες τους, κάτι το οποίο δεν απαιτείται στα στατικά ενσύρματα δίκτυα. Σε ένα ad hoc δίκτυο, τα πακέτα συνήθως απαιτείται να αναμεταδοθούν από αρκετούς κόμβους μέχρι να φθάσουν στο τελικό προορισμό τους. Η επιλογή των μονοπατιών που πρόκειται να ακολουθήσουν γίνεται με βάση κριτήρια όπως είναι ο αριθμός των συνδέσμων που τα απαρτίζουν, η ποιότητά τους κα. Στη συνέχεια το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται δεν έχει παρά να επιλέξει εκείνη τη διαδρομή που ελαχιστοποιεί το συγκεκριμένο κριτήριο. Το πλέον χρησιμοποιούμενο κριτήριο είναι ο αριθμός των hops που απαρτίζουν το μονοπάτι. Το μειονέκτημα σε αυτή τη περίπτωση είναι ότι δεν λαμβάνεται καθόλου υπόψη η ενέργεια που καταναλώνεται (σχήμα 2.4), κάτι το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε αδικαιολόγητη σπατάλη αυτής και να μειώσει τη διάρκεια ζωής του δικτύου. Αυτός είναι και ο λόγος ανάπτυξης ενεργό-αποδοτικών πρωτοκόλλων δρομολόγησης. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζεται ένα σενάριο δρομολόγησης. Στηριζόμενοι στη μετρική

24 2. Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα 17 Σχήμα 2.4: Σενάριο που μπορεί να οδηγήσει σε γρήγορή εξάντληση των αποθεμάτων ενέργειας του κόμβου F. των hops θεωρούμε ότι ο κόμβος A θέλει να επικοινωνήσει με τον Ε και ο Β με τον D. Το πρωτόκολλο μας θα επιλέξει τις διαδρομές A F E και B F D αφού απαρτίζονται από το μικρότερο αριθμό hops. Όπως είναι φανερό και οι δύο διαδρομές χρησιμοποιούν τον F ο οποίος αναπόφευκτα από ένα σημείο και μετά θα εξαντλούσε τη διαθέσιμη ενέργειά του, κάτι που θα τον έθετε εκτός δικτύου και κατά συνέπεια ο κόμβος G θα έμενε απομονωμένος αφού δεν υπάρχει άλλος γείτονας με αυτόν. Όπως είναι φανερό από αυτό το παράδειγμα η ενέργεια είναι ο κρισιμότερος παράγοντας όσο αφορά τη διάρκεια ζωής του δικτύου. Η σχεδιαστική αρχή των ενεργό-αποδοτικών πρωτοκόλλων είναι να μπορέσουν να ισορροπήσουν την κατανάλωση ενέργειας σε όλους τους κόμβους ώστε να επιμηκυνθεί ο χρόνος ζωής του δικτύου διατηρώντας ταυτόχρονα όσο περισσότερη ενέργεια είναι δυνατόν. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν πρωτόκολλα διαχείρισης της ενέργειας για unicast (από έναν σε έναν) και multicast/broadcast (από έναν προς πολλούς/όλους) δρομολόγηση καθώς επίσης και πρωτόκολλα στα οποία οι κόμβοι είναι οργανωμένοι σε clusters. Unicast Routing Protocols Αρκετά πρωτόκολλα αυτής της κατηγορίας έχουν προταθεί με χαρακτηριστικό αυτό στο [10]. Οι συγγραφείς προτείνουν πέντε μετρικές για ενεργό-αποδοτική δρομολόγηση. Ο τύπος του MAC πρωτοκόλλου που χρησιμοποιείται είναι το PAMAS

25 Μέθοδοι Power management 18 στο οποίο αναφερθήκαμε σε προηγούμενη παράγραφο. Η συγκεκριμένη εργασία έδειξε ότι μπορεί να βελτιώσει περαιτέρω από 5% μέχρι 30% τη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τα παραδοσιακά πρωτόκολλα τα οποία έχουν ως μοναδικό κριτήριο επιλογής των διαδρομών τους τον ελάχιστο αριθμό των hops. Οι πέντε μετρικές είναι οι εξής: Η ελαχιστοποίηση της καταναλισκόμενης ενέργειας ανά πακέτο. Είναι φανερό ότι ελαχιστοποιώντας την καταναλισκόμενη ενέργεια ανά πακέτο επιτυγχάνεται και μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Ωστόσο αυτή η μετρική τείνει να επιλέγει διαδρομές γύρω από συγκεκριμένες περιοχές (areas), επομένως είναι πιθανό να μην βελτιωθεί η διάρκεια ζωής του δικτύου. Μεγιστοποίηση του χρόνου διάσπασης του δικτύου. Δοθέντος ενός ad hoc δικτύου υπάρχει ένα ελάχιστο σύνολο κόμβων οι οποίοι αν αφαιρεθούν θα διασπάσουν το δίκτυο σε τμήματα. Το σύνολο αυτό ονομάζεται cut-set και οι κόμβοι που το απαρτίζουν είναι ιδιαίτερα σημαντικοί για την διάρκεια ζωής του δικτύου. Η εν λόγω μετρική επιχειρεί να κατανείμει τη δικτυακή κίνηση κατά μήκος των κόμβων του cut-set ώστε να επιμηκύνει τον χρόνο πριν από τον οποίο το δίκτυο θα διασπαστεί. Το πρόβλημα έχει αποδειχτεί ότι είναι NPcomplete. Ελαχιστοποίηση της διασποράς της υπολειπόμενης ενέργειας στους κόμβους. Ο στόχος αυτής της μετρικής είναι να επιτύχει όλοι οι κόμβοι να επεξεργάζονται τον ίδιο αριθμό πακέτων ώστε να επιτευχθεί ίδιος ρυθμός κατανάλωσης της ενέργειας σε κάθε κόμβο. Η ιδέα είναι ένας κόμβος να μεταδίδει πακέτα προς εκείνο το γείτονα ο οποίος προβλέπεται ότι περιμένει το μικρότερο (σε σχέση με τους άλλους γείτονες) ποσό δεδομένων. Ελαχιστοποίηση κόστους ανά πακέτο. Αυτή η μετρική αποτρέπει η δρομολόγηση να επιλέξει μονοπάτια που περιέχουν κόμβους με εξαντλημένα αποθέματα ενέργειας. Ελαχιστοποίηση του μέγιστου κόστους ανά κόμβο. Ο στόχος εδώ είναι να ελαχιστοποιηθεί το κόστος που πρέπει να καταβάλει κάθε κόμβος για να μεταδώσει ένα πακέτο (στο κόστος περιλαμβάνονται και οι επαναμεταδόσεις). Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μετρική αναμένεται η πρώτη αποτυχία να καθυστερήσει. Δυστυχώς η εν λόγω μετρική δεν είναι υλοποιήσιμη. Η ενεργό-αποδοτική δρομολόγηση θα πρέπει να βασίζεται στην ελαχιστοποίηση του κόστους και όχι στην ελαχιστοποίηση των hops, όπου κόστος πρέπει να οριστεί κάτι που να σχετίζεται με την ενέργεια. Στο [11] προτείνεται ένας κατανεμημένος αλγόριθμος που μεγιστοποιεί το χρόνο εξάντλησης των αποθεμάτων ενέργειας σε κάθε κόμβο. Η ιδέα είναι να ισορροπηθεί η υπολειπόμενη ενέργειά του κόμβου με το ρυθμό με τον οποίο ο κόμβος καταναλώνει αυτήν την ενέργεια. Με άλλα λόγια ο κόμβος που έχει περισσότερη ενέργεια θα μπορεί να την καταναλώσει με μεγαλύτερο ρυθμό από κάποιον που έχει λιγότερη ενέργεια από αυτόν. Η συγκεκριμένη εργασία ενσωματώνει την τεχνική transmitter power control

26 2. Θέματα ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα 19 μέσα στο πρωτόκολλο δρομολόγησης με αρκετά επίπεδα ισχύος να είναι διαθέσιμα. Στο [12] οι συγγραφείς υποθέτουν στατικά δίκτυα και προτείνουν τρία πρωτόκολλα δρομολόγησης με κόστη ενέργειας. Κάθε κόμβος είναι εφοδιασμένος με GPS δέκτη και γνωρίζει την τοποθεσία του και τους γείτονές του. Οι τρεις μηχανισμοί ενεργόαποδοτικής δρομολόγησης είναι οι εξής: ο power aware, ο cost aware και ο power cost. Ο πρώτος προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει τη συνολική κατανάλωση ενέργειας επιλέγοντας κατάλληλους γείτονες για να προωθήσουν τα πακέτα. Ο δεύτερος επιχειρεί να αυξήσει το χρόνο ζωής κάθε κόμβου επιλέγοντας κόμβους για τις διαδρομές οι οποίοι διαθέτουν τα μεγαλύτερα αποθέματα ενέργειας. Ο τρίτος τέλος είναι ένας συνδυασμός των δύο παραπάνω και έχει στόχο την ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας που απαιτείται επιλέγοντας ταυτόχρονα όσο γίνεται περισσότερο εκείνους τους κόμβους που διαθέτουν τα υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Σε μια άλλη εργασία [13] εισάγεται ως κριτήριο για την επιλογή της διαδρομής η αξιοπιστία των συνδέσμων που το απαρτίζουν. Στη μετρική που χαρακτηρίζει το κόστος, εκτός από την ενέργεια, προστίθεται και ο ρυθμός λαθών του συνδέσμου (για να συμπεριληφθούν και οι επαναμεταδόσεις που πρόκειται να συμβούν) ώστε να προκύψει μια όσο το δυνατόν ρεαλιστική εκτίμηση του απαιτούμενου ποσού ενέργειας. Σε άλλη εργασία, ο ρυθμός λαθών υπολογίζεται για ολόκληρο το μονοπάτι και όχι για κάθε σύνδεσμο ξεχωριστά. Μια άλλη ιδέα αναφέρεται στο [14] και δίνει την δυνατότητα σε κάθε κόμβο να αποφασίζει αν θέλει να συμμετάσχει σε μια υπό εγκατάσταση σύνοδο ή όχι. Δηλαδή κάθε κόμβος είναι σε θέση να αποφασίζει, με βάση την υπολειπόμενη ενέργειά του, αν επρόκειτο να μεταδώσει πακέτα. Αν υπάρξει αποστολέας που δε θα καταφέρει να βρει διαδρομή προς τον επιθυμητό του προορισμό, λόγω της άρνησης των κόμβων να συμμετάσχουν, στέλνει εκ νέου την ίδια αίτηση και αυξάνει τη προτεραιότητα κάτι το οποίο θα μειώσει το κατώφλι όπου οι κόμβοι δηλώνουν αδυναμία εξυπηρέτησης. Έτσι είναι εφικτό, κάποιος κόμβος που βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα ενέργειας, να συμμετάσχει σε μια επικοινωνία μόνο όταν είναι απολύτως απαραίτητος. Τέλος στο [15] προτείνεται ένα μοντέλο κατανάλωσης ενέργειας ώστε να δώσει τη δυνατότητα σύγκρισης της απόδοσης δύο πρωτοκόλλων δρομολόγησης: του DSR (Dynamic Source Routing) και του AODV (Ad hoc On-demand Distance-Vector). Επίσης στην ανάλυση μοντελοποιείται και η κινητικότητα. Στο DSR ο παραλήπτης ξοδεύει σημαντικό ποσό ενέργειας για να αφουγκράζεται το μέσο και για να ανταποκρίνεται σε αιτήσεις δρομολόγησης. Από την άλλη πλευρά στο AODV η συχνή εκπομπή (broadcasting) είναι επίσης πολύ δαπανηρή σε ενέργεια. Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε την multicast/broadcast ενεργό-αποδοτική δρομολόγηση. Η διαφορά από την unicast είναι ότι αλλάζει ο αριθμός των παραληπτών. Multicast Routing Protocols Τα multicast (επικοινωνία ένας-προς πολλούς) και broadcast (ένας-προς όλους) πρωτόκολλα που προορίζονται για τα ΜΑΝΕΤs μπορούν να κατηγοριοποιηθούν στα: tree-based multicast και στα mesh-based multicast. Τα tree-based multicast γενικά χρησιμοποιούνται στα ενσύρματα δίκτυα, στα κινητά δίκτυα που διαθέτουν κάποια σταθερή υποδομή αλλά και στα MANETs. Ανάλογα με τον αριθμό των δέντρων ανά