ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη στην εξοικονόµηση ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα ahlap Επιβλέπων : Πέτρος Νικοπολιτίδης Ονοµατεπώνυµο : Παπάς Κωνσταντίνος ΑΕΜ :

2 Περιεχόµενα 2 1. Εισαγωγή...σελ 3 2. Γενικά για το ad hoc learning-automata-based protocol (AHLAP)...σελ 4 3. Περιγραφή πρωτοκόλλου ahlap...σελ 7 4. Περιγραφή του προσοµοιωτή ahlap...σελ Αποτελέσµατα του προσοµοιωτή ahlap...σελ Περιγραφή λειτουργίας power saving...σελ Αποτελέσµατα προσοµοίωσης µε λειτουργία power saving...σελ Συµπεράσµατα...σελ Αναφορές...σελ 27

3 1. Εισαγωγή 3 Στη συγκεκριµένη εργασία παρουσιάζεται η µελέτη εξοικονόµησης ενέργειας για τοπικά ασύρµατα δίκτυα (WLANs) στα οποία εφαρµόζεται το πρωτόκολλο επικοινωνίας ahlap το οποίο βασίζεται στην προσαρµοστική λειτουργία αυτοµάτων τα οποία υλοποιούνται σε κάθε κόµβο. Στις επόµενες δύο ενότητες θα παρουσιαστεί η λειτουργία του πρωτοκόλλου ahlap και θα περιγραφεί αναλυτικά ο προσοµοιωτής που δηµιουργήθηκε για τους σκοπούς της εργασίας, στη συνέχεια θα περιγραφεί σε θεωρητικό επίπεδο η λειτουργία power saving που υλοποιείται στο ahlap και τέλος τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης αποδεικνύουν την αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου εξικονόµησης ενέργειας.

4 4 2. Γενικά για το ad hoc learningautomata-based protocol (AHLAP) Υπάρχουν ουσιαστικές διαφορές ανάµεσα σε ενσύρµατα και ασύρµατα τοπικά δίκτυα (LANs), και προκαλούνε δυσκολίες στον σχεδιασµό των πρωτοκόλλων ελέγχου πρόσβασης στο µέσο (MAC) για τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα (WLANs). Το ασύρµατο µέσο χαρακτηρίζεται από µέσο ρυθµό σφαλµάτων (Bit Error Rate, BER) ο οποίος µπορεί να ξεπερνά ακόµα και 10 τάξεις µεγέθους αυτόν του καλωδίου του ενσύρµατου τοπικού δικτύου. Ας αναφερθεί πως στα τοπικά ασύρµατα δίκτυα τα λάθη προκύπτουν σε ριπές ενώ στα παραδοσιακά ενσύρµατα δίκτυα εµφανίζονται µε τυχαίο τρόπο. Επίσης µια πλήρως συνδεδεµένη τοπολογία µεταξύ των κόµβων του ασύρµατου δικτύου δεν µπορεί να θεωρηθεί ως εφικτή, και συνεπώς τα τοπικά ασύρµατα δίκτυα χαρακτηρίζονται από µη αξιόπιστες συνδέσεις µεταξύ των κόµβων προκαλόντας ριπές σφαλµάτων και δυναµικά εναλλασόµενες τοπολογίες δικτύου. Τα σύγχρονα πρωτόκολλα MAC τοπικών ασυρµάτων δικτύων πρέπει να είναι σε θέση να χειριστούνε την κίνηση που προκύπτει σε ριπές. Τέτοιου τύπου κίνηση αναµένεται να προκύψει από εφαρµογές τοπικών ασυρµάτων δικτύων όπως εφαρµογές client/server και file transfer µεταξύ ασύρµατων κόµβων. Το ad hoc learning-automata-based protocol (ahlap), που παρουσιάζεται σε αυτή την ενότητα, είναι ένα πρωτόκολλο MAC για χρήση σε τοπικά ασύρµατα δίκτυα. Σύµφωνα µε αυτό, ο κόµβος στον οποίο θα δοθεί άδεια για µετάδοση επιλέγεται µέσω διαδικασιών που χειρίζονται τα learning automata. Ας ξεκαθαριστεί σε αυτό το σηµείο ποιός έιναι ο ρόλος και τι ακριβώς είναι τα learning automata. Ο στόχος πολλών εφυών συστηµάτων είναι να έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν σε περιβάλλοντα µε άγνωστα χαρακτηριστικά. Αυτά τα συστήµατα στοχεύουν στο να αποκτούνε γνώση που προκύπτει από τη συµπεριφορά του περιβάλλοντος. Οι µηχανισµοί που χρησιµοποιούνται σε τέτιου είδους προβλήµατα που οι συνθήκες του περιβάλλοντος δεν είναι πλήρως γνωστές ονοµάζονται learning automata. Ένα learning automaton είναι ένα αυτόµατο το οποίο σύµφωνα µε την αλληλεπίδραση του µε το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται, βελτιώνει την λειτουργία του. Ο στόχος ενός τέτοιου αυτοµάτου είναι να καταφέρνει να επιλέγει από ένα σύνολο δυνατών επιλογών την βέλτιστη, έτσι ώστε να ελαχιστοποιήσει την αρνητική ανάδραση του περιβάλλοντος ή να µεγιστοποιήσει την θετική. Αυτό φυσικά προυποθέτει την ύπαρξη ενός µηχανισµού ανάδρασης το οποίο θα ανταποκρίνεται στο αυτόµατο µετά από κάθε ενέργειά του. Η λειτουργία του learning automaton αποτελείται από επαναλαµβανόµενους κύκλους που οδηγούνε στην ελαχιστοποίηση της µέσης αρνητκής ανάδρασης (ή στην µεγιστοποίηση της θετικής). Κατά τη διάρκεια κάθε επανάληψης, το αυτόµατο επιλέγει µια ενέργεια και λαµβάνει την απόκριση του περιβάλλοντος (είτε θετική είτε αρνητική) η οποία προκλήθηκε από την συγκεκριµένη ενέργεια. Έτσι, το αυτόµατο καθορίζει την επιλογή της επόµενης ενέργειας βασιζόµενο στην τελευταία απόκριση του περιβάλλοντος και στην γνώση που έχει αποκτήσει από προηγούµενες ενέργειες. Ένα αυτόµατο λειτουργεί µέσω της επιλογής µίας συγκεκριµένης πράξης η οποία συµπεριλαµβάνεται σε ένα σύνολο ενεργειών a 1, a 2,, a M. p(n) = {p 1 (n), p 2 (n),,p M (n)} είναι το διάνυσµα που αναπαριστά τις πιθανότητες επιλογής κάθε ενέργειας

5 5 στο χρόνο n. ηλαδή κατά τη διάρκεια ενός κύκλου κάποια ενέργεια a i, 1<= i <=M, επιλέγεται µε πιθανότητα p i. Κατά την επιλογή και εκτέλεση µιας ενέργειας a 1 στον κύκλο n το τυχαίο περιβάλλον ανταποκρίνεται µε θετική η αρνητική ανάδραση c i η οποία χρησιµοποιείται για την ενηµέρωση της πιθανότητας του διανύσµατος p. Μετά από αυτή την ενηµέρωση το αυτόµατο επιλέγει την επόµενη ενέργεια σύµφωνα µε το νέο διάνυσµα πιθανοτήτων p(n+1). Σε περιπτώσεις όπου η απόκριση του περιβάλλοντος παίρνει µονάχα τις τιµές 0 και 1, το αυτόµατο είναι γνωστό σαν αυτόµατο P-model. Καθώς σε πολλές περιπτώσεις µια τέτοια διάδικη απόκριση µπορεί µόνο να οδηγήσει σε χονδρική εκτίµηση του περιβάλλοντος από το αυτόµατο, έχουν αναπτυχθεί και πιο ευαίσθητα σχήµατα όπως τα Q και S-models τα οποία έχουν µεγαλύτερη ευελιξία καθώς χρησηµοποιούνε όλο το διάστηµα [0,1] για την απόκριση του περιβάλλοντος. Σε τέτοια σχήµατα οι ενέργειες οι οποίες θα επιλεγούν µπορούν να οδηγήσουν σε απόκριση του περιβάλλοντος η οποία δεν είναι ούτε εντελώς θετική ούτε εντελώς αρνητική. Όπως αναφέραµε, αυτού του είδους τα αυτόµατα µπορούνε, να λάβουνε αποκρίσεις οι οποίες θα ανήκουν στο διάστηµα [0,..,1] µετά από κανονικοποίηση. Πιο συγκεκριµένα, σε ένα Q-model µετά από µια ενέργεια α i από το αυτόµατο, η απόκριση του περιβάλλοντος µπορεί να έχει περισσότερες από δύο, αν και πεπερασµένες και πάλι, πιθανές τιµές στο διάστηµα [0,..,1]. Σε ένα περιβάλλον S- model οι αποκρίσεις µπορούνε να πάρουν τιµές στο συνεχές διάστηµα [0,..,1]. Ο πυρήνας της λειτουργίας του learning automaton είναι ο αλγόριθµος ενηµέρωσης πιθανοτήτων ο οποίος έχει τη µορφή Είναι φανερό πως αφού ληφθεί η ανάδραση για την επιλεγµένη ενέργεια α(n), στην επανάληψη n, η p i (n+1) µεταβάλλεται σύµφωνα µε τους συντελεστές βαρύτητας οι οποίοι απεικονίζουν την απόσταση της ανάδασης του περιβάλλοντος β(n) από την απόλυτα θετική (β(n)=0) ή την απόλυτα αρνητική (β(n)=1). Οι συναρτήσεις g και h σχετίζονται µε την θετική και την αρνητική ανάδραση της ενέργειας i αντίστοιχα και β(n) είναι η κανονικοποιηµένη µεταβλητή της ανάδρασης του περιβάλλοντος. Όσο χαµηλότερη η τιµή της β(n), τόσο πιο ευνοϊκή η απόκριση. Σύµφωνα µε την επιλογή αυτών των συναρτήσεων προκύπτουν διάφορα σχήµατα ενηµέρωσης των πιθανοτήτων µε τα πιο κοινά από αυτά να είναι τα ακόλουθα: Το γραµµικό L R-P (Linear Reward-Penalty) σχήµα. Σε αυτή την περίπτωση οι g i και h i είναι γραµµικές συναρτήσεις των αντίστοιχων πιθανοτήτων επιλογής ενέργειας p i για κάθε i που ανήκει στο 1<=i<=M. Για το P-model L R-P (PL R-P ) αυτόµατο, µετά τη λήψη ευνοϊκής απόκρισης για την ενέργεια α i στην επανάληψη n, η

6 6 αντίστοιχη πιθανότητα p i (n+1) αυξάνεται. Μετά τη λήψη µη ευνοϊκής απόκρισης, όµως, η πιθανότητα p i (n+1) µειώνεται. Για τα µοντέλα Q και S οι αναβαθµίσεις πιθανοτήτων προκύπτουν σαν συνδυασµοί των συναρτήσεων g i και h i µε βαρύτητα 1-β(n) και β(n) αντίστοιχα, εφ όσον το β(n) µπορεί να πάρει τιµές σε όλο το διάστηµα [0,...,1]. Το γραµµικό L R-I (Linear Reward-Inaction) σχήµα. Σε αυτή την περίπτωση, η g i είναι και πάλι γραµµική συνάρτηση της πιθανότητας p i ενώ h i =0 για κάθε i που ανήκει στο 1<=i<=M. Στην περίπτωση του P- model, µετά τη λήψη ευνοϊκής απόκρισης για την ενέργεια α i στην επανάληψη n, η αντίστοιχη πιθανότητα p i (n+1) αυξάνεται. Μετά τη λήψη µη ευνοϊκής απόκρισης, η πιθανότητα p i (n+1) δεν µειώνεται αλλά παραµένει ως έχει. Για τα µοντέλα Q και S οι αναβαθµίσεις πιθανοτήτων προκύπτουν σύµφωνα µε τη συνάρτηση g i µε βαρύτητα 1-β(n), εφ όσον το β(n) µπορεί να πάρει τιµές σε όλο το διάστηµα [0,...,1]. Μη γραµµικά σχήµατα, στην περίπτωση αυτή οι g i και h i είναι µη γραµµικές συναρτήσεις των πιθανοτήτων p i. Τα learning automata είναι χρήσιµα σε συστήµατα όπου η γνώση για το περιβάλλον στο οποίο λειτουργούν δεν είναι επαρκής. Στον τοµέα των δικτυακών δεδοµένων, αυτού του είδους τα αυτόµατα εφαρµόστηκαν σε διαφορα προβλήµατα, συµπεριλαµβανοµένου και αυτού του σχεδιασµού των αυτοπροσαρµοζόµενων πρωτοκόλλων MAC ασύρµατων και ενσύρµατων συστηµάτων, τα οποία λειτουργούνε αποδοτικά σε δίκτυα µε δυναµικό φόρτο εργασίας. Άλλες εφαρµογές που χρησιµοποιούνε learning automata είναι συστήµατα adaptive push data broadcast, και δροµολόγηση telephone traffic. Στα πρώτα, ένα learning automaton παρέχει προσαρµοστικότητα σε ένα περιβάλλον που χαρακτηρίζεται εκ των προτέρων άγνωστο, καθώς οι ανάγκες των πελατών για δεδοµένα, µεταβάλλονται µε το χρόνο. Με άλλα λόγια, το learning automaton παρέχει στο σύστηµα την ικανότητα τις εκ των προτέρων άγνωστες και χρονικά µεταβαλλόµενες απαιτήσεις των διαφόρων πελατών. Στην περίπτωση της δροµολόγησης τηλεφώνου, η δροµολόγηση πρέπει να γίνει µε δυνατότητες µεταγωγής στις γραµµές, αναλογικά µε τη χωρητικότητά τους, οι οποίες είναι εκ των προτέρων άγνωστες. Σύµφωνα µε όλα τα παραπάνω είναι ξεκάθαρος ο σκοπός της χρήσης των learning automata στο ahlap. Στοχεύει σε ένα πρωτόκολλο που θα έχει την ικανότητα να µαθαίνει για όλους τους σταθµούς, την εκ των προτέρων άγνωστη και µεταβαλλόµενη στο χρόνο πιθανότητα οτι κάποιος κόµβος είναι έτοιµος να µεταδόσει.

7 7 3. Περιγραφή πρωτοκόλλου ahlap Σύµφωνα µε το ahlap κάθε ασύρµατος κόµβος εξοπλίζεται µε ένα P-model learning automaton το οποίο περιέχει την κανονικοποιηµένη πιθανότητα Π i κάθε κόµβου για κάθε ασύρµατο σταθµό u i του δικτύου. Το πρωτόκολλο λειτουργεί ως εξής: Μετά τη λήψη της ανάδρασης για την µετάδοση στο slot t οι πιθανότητες του κάθε κόµβου P i (t) κανονικοποιούνται κατά τον ακόλουθο τρόπο Κατά την εκκίνηση της λειτουργίας ahlap, οι πιθανότητες κάθε κόµβου P i (0) είναι ίδιες για όλους τους σταθµούς. Έτσι, κατά την εκκίνηση της ahlap διαδικασίας ισχύει Π i (0)=1/Ν, όπου Ν ο αριθµός των κόµβων του δικτύου. Στην αρχή του slot t, οι κανονικοποιηµένες πιθανότητες καθορίζουν τον επόµενο κόµβο προς µετάδοση. Σε κάθε slot t η πιθανότητα επιλογής P i (t) του επιλεγµένου σταθµού u i ενηµερώνεται σύµφωνα µε την ανάδραση του περιβάλλοντος. Εάν ο σταθµός u i µετέδωσε κατά τη διάρκεια του slot t, τότε η πιθανότητά του αυξάνεται, εάν ήταν ανενεργός στο slot t, τότε η πιθανότητα αυτή µειώνεται. Χρησηµοποιείται ένα γραµµικό L P-R σχήµα για την ενηµέρωση των πιθανοτήτων: Για κάθε t, τα L, α ανήκουν στο διάστηµα (0,1) και η P i (t) στο (α,1). Το L καθορίζει την ταχύτητα σύγκλισης του αυτοµάτου. Όσο χαµηλότερη είναι η τιµή που επιλέγουµε για το L, τόσο πιο ακριβής θα είναι η εκτίµηση που θα γίνει κοστίζοντας όµως σε χρόνο καθως θα καθυστερήσει να καταλήξει σε αυτή την εκτίµηση. Η παράµετρος α βοηθά στην αύξηση της προσαρµοστικότητας του πρωτοκόλλου. Αυτό χρειάζεται γιατί όταν η πιθανότητα επιλογής ενός κόµβου πλησιάζει το 0 τότε ο κόµβος αυτός δεν επιλέγεται για µετάδοση για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα κατά τη διάρκεια του οποίου µπορεί να έχει περάσει από ανενεργή σε ενεργή κατάσταση. Από τη στιγµή όµως που δεν του δίνεται άδεια να µεταδόσει, το αυτόµατο δεν µπορεί να αντιληφθεί την µετάβαση αυτή στην ενεργή κατάσταση. Έτσι ο παράγοντας α δεν επιτρέπει τιµές πιθανοτήτων στην περιοχή κοντά στο 0 αυξάνοντας την προσαρµοστικότητα του πρωτοκόλλου. Η κίνηση στα ασύρµατα δίκτυα προκύπτει σε ριπές (bursty traffic) άρα όταν κάποιος σταθµός έχει ένα πακέτο προς µετάδοση, είναι πιθανό πως θα έχει πακέτα να µεταδόσει και στο κοντινό µέλλον. Έτσι η πιθανότητα µετάδοσής του αυξάνεται.

8 8 Αντίστοιχα, όταν κάποιος σταθµός δεν έχει πακέτα προς µετάδοση, η πιθανότητα αυτή µειωνεται καθώς είναι πιθανό πως ο σταθµός θα παραµείνει σε αυτή την κατάσταση. Όπως έχουµε ήδη αναφέρει, το ahlap ενηµερώνει τις πιθανότητες επιλογής ασύρµατου κόµβου σύµφωνα µε την πληροφορία ανάδρασης του δικτύου. Αποδεικνύεται πως η πιθανότητα επιλογής κάθε ασύρµατου κόµβου συγκλίνει στην πιθανότητα να µην είναι αυτός ανενεργός. Αυτό σηµαίνει πως για κάθε δύο σταθµούς u i και u j, µε πιθανότητες να είναι έτοιµοι να µεταδόσουν d i και d j αντίστοιχα, το ahlap τείνει να ικανοποιεί τη σχέση Έτσι ώστε να γίνει καλύτερα κατανοητή η προηγούµενη εξίσωση παρουσιάζονται στη συνέχεια τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης [1] για ένα τοπικό ασύρµατο δίκτυο ahlap 10 κόµβων εκ των οποίων µόνο οι κόµβοι 1 και 2 είναι ενεργοί µε d 1 =0.7 και d 2 =0.4. Τα αποτελέσµατα αυτού του πειράµατος που παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήµα δείχνουν οτι το αυτόµατο που εκτιµά τις πιθανότητες επιλογής P 1 και P 2, συγκλίνει στις τιµές 0.7 και 0.4 αντίστοιχα. Το ίδιο ισχύει και για τις κανονικοποιηµένες πιθανότητες επιλογής Π 1 και Π 2 οι οποίες συγκλίνουν στις τιµές 7/11 και 4/11 αντίστοιχα. Έτσι ο ισχυρισµός της προηγούµενης εξίσωσης επαληθεύεται.

9 9 Αν το ahlap εκτελείται σε περιβάλλον χωρίς θόρυβο, τότε δεν υπάρχουν συγκρούσεις. Αυτό συµβαίνει καθώς όλοι οι σταθµοί εκτελούνε το ίδιο πρωτόκολλο και η ανάδραση του συστήµατος είναι η ίδια για όλους λόγω της καθολικής της µετάδοσης ασύρµατα. Έτσι σε κάθε slot, όλοι οι κόµβοι επιλέγουν τον ίδιο κόµβο για µετάδοση και το πρωτόκολλο είναι ένα πρωτόκολλο χωρίς συγκρούσεις παρά την κατανεµειµένη φύση του. Όµως, σε ένα περιβάλλον που υπάρχει θόρυβος, είναι πιθανό η απόκρισης του συστήµατος να µην είναι ίδια για όλους τους σταθµούς. Συνεπώς, οι πιθανότητες επιλογής µεταδότη µπορεί να διαφέρουν από κόµβο σε κόµβο, δύο ή περισσότεροι κόµβοι να ορίσουν διαφορετικούς µεταδότες και έτσι να προκύψουν συγκρούσεις. Σε αυτή την περίπτωση το κανάλι επικοινονίας µπορεί να βρίσκεται σε µια από τις τρείς επόµενες καταστάσεις: Επιτυχηµένη µετάδοση, σύγκρουση ή ανενεργή. Οι περιπτώσεις που λαµβάνονται υπ όψιν στον προσοµοιωτή που θα περιγραφεί είναι οι εξής: Ένα slot «επιτυχηµένη µετάδοση» γίνεται αντιληπτό από κάποιον σταθµό σαν «ανενεργό», λόγω του οτι αυτός ο σταθµός είναι εκτός εµβέλειας του µεταδότη Ένα slot «επιτυχηµένη µετάδοση» γίνεται αντιληπτό από κάποιον σταθµό σαν «σύγκρουση», λόγω των σφαλµάτων που επιβάλλονται από τις ασύρµατες ζεύξεις Ένα slot «σύγκρουσης» γίνεται αντιληπτό από κάποιον σταθµό σαν «επιτυχηµένη µετάδοση», λόγω του φαινοµένου power capturing Ένα slot «σύγκρουσης» γίνεται αντιληπτό από κάποιον σταθµό σαν «ανενεργό», λόγω του οτι αυτός ο σταθµός είναι εκτός εµβέλειας του µεταδότη Για να αποφευχθεί ένας πιθανός µεγάλος αριθµός συγκρούσεων, τα διανύσµατα πιθανοτήτων που έχουνε οι σταθµοί δεν πρέπει να διαφέρουν πολύ µεταξύ τους. Τέτοιες διαφορές, όµως, είναι πολύ πιθανό να παρατηρηθούν καθώς η εσφαλµένη λήψη της απόκρισης του δικτύου από µερικούς κόµβους προκαλεί κάτι

10 10 τέτοιο. Σε µια προσπάθεια να περιοριστούν αυτές οι διαφορές µεταξύ των διανυσµάτον πιθανοτήτων, το ahlap σε κάθε µετάδοση που συµβαίνει προσαρτεί τις K µεγαλύτερες πιθανότητες στο πακέτο δεδοµένων που αποστέλλεται. Οι πιθανότητες αυτές αντιστοιχούνε στους κόµβους οι οποίοι είναι πιο πιθανό να µεταδόσουν στο προσεχές µέλλον. Κάθε κόµβος που «βλέπει» το µεταδιδόµενο πακέτο αντγράφει τις Κ πιθανότητες που προσαρτήθηκαν στο πακέτο δεδοµένων. Όλες οι υπόλοιπες πιθανότητες παίρνουν την τιµή α. Έτσι η διασπορά της κατανοµής της πιθανότητας επιβάλλει στα διανύσµατα των κόµβων να έχουν µικρότερες διαφορές µεταξύ τους, συνεπώς η ανάδραση που λαµβάνεται από το δίκτυο θα είναι πιο ακριβής, οδηγόντας σε λιγότερες συγκρούσεις (βλ. παράγραφο 5, διαγράµµατα συγκρούσεων). Αλλά ακόµα και µε αυτό το µηχανισµό, λόγω του θορύβου θα υπάρχουν διαφωνίες µεταξύ των σταθµών και φυσικά συγκρούσεις. Φυσικά η επιλογή του K εξαρτάται από τον συνολικό αριθµό των ασύρµατων κόµβων Ν του δικτύου. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο ψευδοκώδικας της διαδικασίας που εκτελείται σε κάθε αυτόµατο κάθε κόµβου.

11 11

12 12 4. Περιγραφή του προσοµοιωτή ahlap Για τις ανάγκες της εργασίας δηµιουργήθηκε ο προσοµοιωτής που θα περιγραφεί σε αυτή την παράγραφο. Στο Σχήµα 1 που ακολουθεί παρουσιάζεται το διάγραµµα ροής του προσοµοιωτή. Αρχικά πρέπει να επισηµανθεί πως η κατανεµηµένη φύση του πρωτοκόλλου ahlap επιβάλλει µια ταυτόχρονη διαδικασία που εκτελείται παράλληλα σε Ν διαφορετικούς επεξεργαστές, ένα για κάθε learning automaton σε κάθε κόµβο. Ο κώδικας ο οποίος γράφτηκε, όµως, είναι σειριακός, και έτσι έγιναν κάποιες αλλαγές στη δοµή του προγράµµατος που θα έτρεχε σε κάθε κόµβο (βλ. προηγούµενη παράγραφο), ωστε να λυθεί αυτή η ασυµβατότητα. Ακολουθήθηκε η εξής λογική: Υπάρχουν δύο βασικά loops στον κώδικα, ένα για την πρόβλεψη σύγκρουσης και ένα για τις υπόλοιπες διαδικασίες και ενέργειες που πραγµατοποιούνται κατα τη διάρκεια του κάθε slot. Η διαδικασία αυτή δεν ταυτίζεται πλήρως µε την πραγµατικότητα για δύο λόγους. Πρώτον, κωδικοποιείται σειριακά µια παράλληλη διαδικασία, και δεύτερον, η πρόβλεψη σύγκρουσης που γίνεται στον πρώτο βασικό βρόχο του προγράµµατος δεν συµβαίνει στην πραγµατικότητα, αλλά γίνεται µόνο για να λυθούν κάποια προβλήµατα που προκύπτουν λόγω της πρώτης ασυµβατότητας. Εαν υπήρχε µόνο ένα βασικό loop το οποίο θα εκτελούσε τις απαιτούµενες ενέργειες για κάθε κόµβο, αναλαµβάνοντας κάθε κόµβο µε συγκεκριµένη σειρά, θα έπαιζε πολύ σηµαντικό ρόλο η σειρά αυτή και θα αλλοιωνόταν η διαδικασία. Έτσι διαχωρίζονται οι ενέργειες που δεν πρέπει να µπλέκονται µεταξύ τους στο σειριακό κώδικα (πρόβλεψη συγκρούσεων, διαδικασίες κατά τη διάρκεια του slot). Ας περιγράψουµε πρώτα τις κυριότερες µεταβλητές που χρησιµοποιούνται στον προσοµοιωτή και στη συνέχεια αναφερόµαστε στην αναλυτική λειτουργία του. Οι µεταβλητές που περιέχουν τα χαρακτηριστικά του δικτύου ορίζονται αρχικά στο πρόγραµµα και αλλάζουν εύκολα για να παραµετροποιείται το δίκτυο ωστε να µπορούµε εύκολα να ελέγχουµε διάφορες περιπτώσεις κατά τη µελέτη. Μερικά από αυτές ειναι:

13 Σχήµα 1. ιάγραµµα ροής 13

14 14 MAX_STATIONS: Ο αριθµός των ασύρµατων κόµβων BUS_RATE: Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων σε bits per second PACKET_LENGTH: Μέγεθος του πακέτου δεδοµένων σε bits ACK_LENGTH: Μέγεθος του πακέτου επιβαίωσης MAX_PACK: Αριθµός πακέτων που πρέπει να µεταδοθούν επιτυχώς για να σταµατήσει η προσοµοίωση NETWORK_LOAD: Φόρτος δικτύου MAX_BUFFER_SIZE: Αριθµός πακέτων που µπορεί να χωρέσει κάθε buffer κάθε κόµβου MAX_ATTEMPTS: Μέγιστος αριθµός προσπαθειών µετάδοσης κάθε πακέτου πριν την απόρριψή του BURST_LENGTH: Μέσο µήκος ριπής σε slots ARR_PROBABILITY: Πιθανότητα να συµβεί άφιξη πακέτου σε έναν κόµβο εφ όσον αυτός είναι σε κατάσταση S 1 K: Αριθµός µεγαλύτερων πιθανοτήτων που προσκολλώνται στο πακέτο δεδοµένων για ενηµέρωση των υπόλοιπων κόµβων G_BER: Χαµηλού επιπέδου θόρυβος γραµµής Β_BER: Υψηλού επιπέδου θόρυβος γραµµής TG: Μέση τιµή παραµονής στην κατάσταση G_BER ενός κόµβου TB: Μέση τιµή παραµονής στην κατάσταση B_BER ενός κόµβου Pc: Πιθανότητα να φτάσει ένα πακέτο στον παραλήπτη του µετά από σύγκρουση Pi: Πιθανότητα να µην γίνει αντιληπτή σε ένα σταθµό µια επιτυχηµένη µετάδοση P01: Πιθανότητα ένας κόµβος που βρίσκεται στην κατάσταση S 0 να µεταβεί στην κατάσταση S 1 P10: Πιθανότητα ένας κόµβος που βρίσκεται στην κατάσταση S 1 να µεταβεί στην κατάσταση S 0 Ίσως οι δύο σηµαντικότεροι πίνακες που ορίζονται είναι ο πίνακας που περιέχει τις πιθανότητες επιλογής επόµενου µεταδότη ο οποίος είναι δύο διαστάσεων και περιέχει την πιθανότητα που υπολογίζει κάθε ένας για κάθε άλλο κόµβο (probability_matrix[max_stations][max_stations]), και ο διδιάστατος πίνακας στον οποίο αποθηκεύονται οι χρονικές στιγµές κατά τις οποίες έχουµε άφιξη πακέτου σε κάποιο buffer κάποιου κόµβου (start_time[max_stations][max_buffer_size]). Εκτός από αυτά τα σηµαντικά συστατικά του δικτύου και τους πίνακες που αποτελούνε τον πυρήνα λειτουργίας του προγράµµατος, υπάρχουν αρκετές ακόµη µεταβλητές κατάστασης οι οποίες βοηθάνε στην σωστή λειτουργία της προσοµοίωσης. Υπάρχει πίνακας που την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο κάθε κόµβος ως προς την άφιξη πακέτων όπως εξήγείται στη συνέχεια (station_situation[max_stations]), πίνακας που διατηρεί το µέγεθος όλων των buffer του δικτύου (buffer_size[max_stations]), πίνακας που περιέχει τα επίπεδα θορύβου µεταξύ οποιωνδήποτε δύο κοµβων (ber_situation[max_stations][max_stations]), πολλές άλλες µεταβλητές που ορίζουν τις λεπτοµέριες της κατάστασης του δικτύου όπως ρολόι προσοµοίωσης (sec_clock), και τέλος µεταβλητές που διατηρούνε τα στατιστικά στοιχεία από τα οποία προκύπτουν τα αποτελέσµατατης προσοµοίωσης όπως συνολικός αριθµός πακέτων που παραδόθηκαν επιτυχώς (no_packets_delivered), άθροισµα της καθυστέρησης των πακέτων (sum_delay), άθροισµα συγκρούσεων (sum_collisions).

15 15 Πρίν προχωρήσουµε στην λειτουργία του προσοµοιωτή ας εξηγήσουµε το µηχανισµό άφιξης πακέτων. Κάθε ένας από τους Ν ασύρµατους κόµβους διατηρεί έναν προσορεινό χώρο (buffer) ώστε να αποθηκεύει τα πακέτα που φτάνουν για µελλοντική µετάδοση. Το µέγεθος του buffer όπως είπαµε και νωρίτερα ορίζεται στην αρχή του προγράµµατος. Άν συµβεί άφιξη πακέτου για έναν κόµβο και το buffer του είναι γεµάτο τότε αυτό απορρίπτεται. Κάθε κόµβος µπορεί να βρίσκεται σε µια από τις δύο καταστάσεις, S 0 και S 1. Όταν ένας κόµβος βρίσκεται στην κατάσταση S 0 τότε δεν έχει αφίξεις πακέτων, εαν βρίσκεται στην κατάσταση S 1 τότε σε κάθε slot συµβαίνει µια άφιξη πακέτου µε πιθανότητα ARR_PROBABILITY. Εάν ένας κόµβος βρίσκεται στην κατάσταση S 0 στο slot t τότε η πιθανότητα αυτός να µεταβεί στην κατάσταση S 1 στο επόµενο slot είναι P 01. Η αντίστοιχη πιθανότητα µετάβασης από την κατάσταση S 1 στην S 0 είναι P 10. Αποδεικνύεται πως αν ο φόρτος που δέχεται το δίκτυο είναι R και το µέσο µήκος ριπής είναι B, τότε οι πιθανότητες µετάβασης που περιγράφηκαν παραπάνω θα είναι: P 01 = R(B(NZ-R)) P 10 = 1/B Η πληροφορία της κατάστασης θορύβου κάθε ασύρµατης ζεύξης µεταξύ δύο κόµβων του δικτύου περιέχεται στον πινακα ber_situation[max_stations][max_stations] και ορίζει πως κάθε κόµβος µπορεί να βρίσκεται σε µια από τις δύο καταστάσεις: Κατάσταση G (Good ber), κατά την οποία η ασύρµατη ζεύξη χαρακτηρίζεται από χαµηλά επίπεδα θορύβου και µικρό Bit Error Rate, που δίνεται από την παράµετρο G_BER Κατάσταση B (Bad ber), κατά την οποία η ασύρµατη ζεύξη χαρακτηρίζεται από υψηλά επίπεδα θορύβου και µεγάλο Bit Error Rate, που δίνεται από την παράµετρο B_BER Για κάθε δύο κόµβους Α και Β ισχύει πως το BER της ζεύξης του Α προς το Β είναι ακριβώς το ίδιο µε το BER της ζεύξης του Β προς το Α. Οι χρονικές περίοδοι που οι ζεύξεις βρίσκονται σε µια κατάσταση BER είναι εκθετικά κατανεµειµένες µε µέσες τιµές που δίνονται από τις παραµέτρους TG για την κατάσταση G και TB για την κατάσταση B. Έτσι η κατάσταση της ζεύξης µεταβάλλεται πιθανοτικά ανάµεσα στις δύο καταστάσεις. Όταν µια ζεύξη παρέµεινε στην κατάσταση G για το χρόνο που της αναλογούσε, περνάει στην κατάσταση B. Εαν µια ζεύξη παρέµεινε στην κατάσταση B για το χρόνο που της αναλογούσε, περνάει στην κατάσταση G.

16 16 5. Αποτελέσµατα του προσοµοιωτή ahlap Ο προσοµοιωτής που περιγράφτηκε στην προηγούµενη παράγραφο χρησηµοποιήθηκε για τα εξής τρία δίκτυα. Network 1: N=10, Q=10, B=10, Z=1.0 Network 2: N=10, Q=3, B=200, Z=0.7 Network 3: N=5, Q=5, B=1000, Z=0.8 και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται µε τη βοήθεια των διαγραµµάτων Throughput versus Offered load Average Delay versus Throughput Collision Rate versus Offered load Υπενθυµίζουµε πως Ν ο αριθµός των ασύρµατων κόµβων, Q το µέγεθος του buffer κάθε κόµβου, Β η µέση διάρκεια ριπής σε slots και Ζ η πιθανότητα άγιξης πακέτου σε κάποιο slot σε περίπτωση που ο σταθµός βρίσκεται σε κατάσταση S 1. Οι παράµετροι που χρησηµοποιήθηκαν σαν σταθερές στην προσοµοίωση είναι: MAX_PACK= , ο αριθµός των πακέτων που πρέπει να µεταδοθούν επιτυχώς για να λήξει η προσοµοίωση G_BER =10-10, ο θόρυβος γραµµής χαµηλού επιπέδου Β_BER =10-4, ο θόρυβος γραµµής υψηλού επιπέδου TG=30 sec, Μέση τιµή παραµονής στην κατάσταση G_BER ενός κόµβου TB=10 sec, Μέση τιµή παραµονής στην κατάσταση B_BER ενός κόµβου Pc=0,1, Πιθανότητα να φτάσει ένα πακέτο στον παραλήπτη του µετά από σύγκρουση Pi=0,1, Πιθανότητα να µην γίνει αντιληπτή σε ένα σταθµό µια επιτυχηµένη µετάδοση K=2, Αριθµός µεγαλύτερων πιθανοτήτων που προσκολλώνται στο πακέτο δεδοµένων για ενηµέρωση των υπόλοιπων κόµβων και MAX_ATTEMPTS=6, Μέγιστος αριθµός προσπαθειών µετάδοσης κάθε πακέτου πριν την απόρριψή του Το πακέτο δεδοµένων ορίστηκε στα 1000 bits ενώ το µήνυµα ελέγχου ACK στα 160 bits. Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων των ασυρµάτων ζεύξεων θεωρήθηκε πως είναι 1 Mbps και η καθυστέρηση µετάδοσης τέθηκε στα ms χρόνος που αντιστοιχεί σε µεταδόσεις σε απόσταση 150 µέτρων. Τέλος το offered load των διαγραµµάτων είναι ο πραγµατικός φόρτος που υπολογίζεται στο τέλος της κάθε προσοµοίωσης και δεν ταυτίζεται µε το φόρτο που ορίζουµε στην αρχή ώστε να υπολογιστούνε οι πιθανότητες P 01 και P 10.

17 17 Όπως φαίνεται από τα διαγράµµατα των προσοµοιώσεων, το ahlap αποδίδει ικανοποιητικά καθώς έχει τη δυνατότητα προσαρµογής στο περιβάλλον το οποίο βρίσκεται και µπορεί να επιλέξει σωστά σε ποιόν κόµβο θα δώσει προτεραιότητα για µετάδοση. Αυτό µπορεί να επιβεβαιωθεί καλύτερα από την σύγκρισή του µε άλλα πρωτόκολλα που χρησηµοποιούνται όπως το IEEE DFC και το TDMA [1]. Επίσης ο µηχανισµός επιβεβαίωσης που χρησιµοποιείται δεν επιβαρύνει σηµαντικά το δίκτυο καθώς υπάρχει µονάχα ένα πακέτο ελέγχου επιβεβαίωσης. Ο µηχανισµός προσάρτησης των Κ µεγαλύτερων πιθανοτήτων στο πακέτο δεδοµένων φαίνεται να δουλεύει άκρως ικανοποιητικά καθώς σε όλες τις περιπτώσεις δικτύων που δοκιµάστηκαν το ποσοστό των συγκρούσεων συγκρατείται σε πολύ χαµηλά επίπεδα. Το network 1 φαίνεται να έιναι κάπως πιο επιρρεπές στην καθυστέρηση, αλλά αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι το µέγεθος του buffer που χρησιµοποιείται στην προκειµένη περίπτωση είναι µεγαλύτερο από τα άλλα δίκτυα. Τα πακέτα προς µετάδοση που φτάνουν στους κόµβους καθύστερούν αρκετά καθώς υπάρχουν πολλές κενές θέσεις και αυτά µένουν αρκετή ώρα στην αναµονή µέχρι να εξυπηρετηθούν. Το πρόβληµα αυτό επιδεινώνεται µε την αύξηση του φόρτου δικτύου. Στα δίκτυα 2 και 3 δεν συµβαίνει το ίδιο γιατί οι µικροί αποθηκευτικοί χώροι δεν επιτρέπουν σε πακέτα να περιµένουν για µεγάλο χρονικό διάστηµα για να αποσταλούν. N=10, Q=10, B=10, Z= Throughput Network Offered Load

18 18 N=10, Q=10, B=10, Z=1.0 Delay Throughput Network 1 N=10, Q=10, B=10, Z= Collision Rate Netw ork Offered Load

19 19 N=10, Q=3, B=200, Z=0.7 Throughput Network Offered Load N=10, Q=3, B=200, Z=0.7 Delay Throughput Network 2

20 20 N=10, Q=3, B=200, Z= Collision Rate Netw ork Offered Load N=5, Q=5, B=1000, Z=0.8 Throughput Offered Load Network 3

21 21 N=5, Q=5, B=1000, Z=0.8 Delay Network Throughput N=5, Q=5, B=1000, Z= Collision Rate Network Offered Load

22 22 6. Περιγραφή λειτουργίας power saving Σε αυτή την παράγραφο περιγράφεται η ενσωµάτωση της λειτουργίας power saving στο πρωτόκολλο ahlap µε σκοπό την εξοικονόµηση ενέργειας. Η λειτουργία αυτή βασίζεται σε γενικές γραµµές στην ιδέα της ενσωµάτωσης πληροφορίας για το ποιός θα µεταδόσει στο συγκεκριµένο slot έτσι ώστε οι κόµβοι που δεν υπάρχει λόγος να µένουν ανοιχτοί να περνάνε σε κατάσταση αδράνειας και να βοηθάνε στην µείωση της ενέργειας που καταναλώνεται. Ας επισηµανθεί πως η πληροφορία που επιβαρύνει το πακέτο δεδοµένων είναι πολύ µικρή καθώς χρειάζονται ελάχιστα bits για να σηµατοδοτηθούν οι ασύρµατοι κόµβοι ενός δικτύου. Όσον αφορά τις καταστάσεις κατανάλωσης ενέργειας, ο κάθε κόµβος µπορεί να βρίσκεται σε µια από τις παρακάτω: Μετάδοση: Ο κόµβος βρίσκεται σε αυτή την κατάσταση εάν µεταδίδει πακέτο δεδοµένων Λήψη: Ο κόµβος βρίσκεται σε αυτή την κατάσταση εάν δέχεται πακέτο δεδοµένων Ανενεργή: Ο κόµβος βρίσκεται σε αυτή την κατάσταση εάν ούτε µεταδίδει, ούτε λαµβάνει αλλά ο ποµποδέκτης του είναι ανοιχτός Αδράνεια: Ο κόµβος βρίσκεται σε αυτή την κατάσταση όταν ο ποµποδέκτης του είναι απενεργοποιηµένος Αρχικά όλοι οι κόµβοι βρίσκονται σε ανενεργή κατάσταση. Το ίδιο συµβαίνει και στην αρχή κάθε slot. Από τη στιγµή που το δίκτυο ξεκινά να δουλεύει σε κάθε µετάδοση µπορεί να συµβεί ένα από τα παρακάτω σενάρια: Εάν το πακέτο γίνει αντιληπτό από κάποιον κόµβο (πιθανότητα 1-P i ), τότε αυτός εάν είναι αποδέκτης περνάει σε κατάσταση λήψης, αν όχι, περνά σε κατάσταση αδράνειας. Η πιθανότητα της εσφαλµένης λήψης της πληροφορίας για το ποιός είναι ο µεταδότης λόγω θορύβου στη γραµµή θεωρείται αµελητέα καθώς τα bits της πληροφορίας αυτής όπως αναφέραµε είναι πολύ λίγα Εάν το πακέτο δεν γίνει αντιληπτό από κάποιον κόµβο τότε αυτός δεν θα αλλάξει κατάσταση και θα παραµείνει στην ανενεργή, που είχε περάσει στην αρχή του slot Στην περίπτωση κατά την οποία κανένας κόµβος δεν επιλέχθηκε για µετάδοση, ή αυτός που επιλέχθηκε δεν έχει αποθηκευµένα πακέτα προς µετάδοση, τότε όλοι οι σταθµοί θα παραµείνουν στην ανενεργή κατάσταση καθ όλη τη διάρκεια του slot.

23 23 7. Αποτελέσµατα προσοµοίωσης µε λειτουργία power saving Η λειτουργία εξοικονόµησης ενέργειας εφαρµόστηκε στο πρωτόκολλο ahlap που έχει ήδη περιγραφεί και συγκεκριµένα στα παραδείγµατα δικτύων της παραγράφου 5. Οι επιπλέον σταθερές που ορίζουµε σε σχέση µε το πρωτόκολλο ahlap είναι η τιµές κατανάλωσης ενέργειας του κάθε κόµβου ανάλογα µε την κατάσταση στην οποία βρίσκεται. Εάν βρίσκεται σε κατάσταση µετάδοσης η ενέργεια που καταναλώνεται είναι 1.65 Watts Εάν βρίσκεται σε κατάσταση λήψης η ενέργεια που καταναλώνεται είναι 1.4 Watts Εάν βρίσκεται σε ανενεργή κατάσταση η ενέργεια που καταναλώνεται είναι 1.15 Watts Εάν βρίσκεται σε κατάσταση αδράνειας η ενέργεια που καταναλώνεται είναι 0,045 Watts Για κάθε ένα από τα τρία δίκτυα που µελετηθήκανε προηγουµένως τώρα παρουσιάζονται οι γραφκές παραστάσεις power consumption versus offered load κάνοντας χρήση της λειτουργίας εξοικονόµησης ενέργειας, αντιπαραβάλλοντας τις αντίστοιχες τιµές κατανάλωσης εάν δεν υπάρχει τέτοια διαδικασία. 1.4 N=10, Q=10, B=10, Z=1.0 Consumption (Watts) Offered Load With power saving Without power saving

24 24 N=10, Q=3, B=200, Z=0.7 Consumption (Watts) With power saving Without power saving Offered Load N=5, Q=5, B=1000, Z= Consumption (Watts) With power saving Without power saving Offered Load

25 25 Από τις γραφικές παραστάσεις φαίνεται καθαρά πως όταν γίνεται χρήση της λειτουργίας εξοικονόµησης ενέργειας η ενεργειακή αποδοτικότητα του συστήµατος βελτιώνεται σηµαντικά. Σε συγκεκριµένες περιπτώσεις µάλιστα, η µείωση της κατανάλωσης ενέργειας ξεπερνά το 40 %. Παρατηρείται πως το κέρδος σε ενέργεια αυξάνει µε την αύξηση του φόρτου δικτύου. Αυτό είναι λογικό καθώς σε όλο και περισσότερα slots κόµβοι καταφέρνουν να περάσουν σε κατάσταση αδράνειας η οποία είναι σηµαντικά λιγότερο ενεργειοβόρα από την αντίστοιχη ανενεργή. Άν συγκρίνουµε αυτά τα αποτελέσµατα µε τα αντίστοιχα της µελέτης του πρωτοκόλλου LPOAP [2], διαπιστώνουµε πως οι οµοιότητες στη µονοτονία των παραστάσεων που προκύπτουν είναι µεγάλες καθώς έχουµε να κάνουµε µε αρκετά ίδιας φιλοσοφίας πρωτόκολλα, αλλά το LPOAP καταφέρνει να επιτύχει µεγαλύτερη εξοικονόµηση ενέργειας από το ahlap. Αυτό συµβαίνει καθώς το LPOAP είναι σαφώς πιο αποδοτικό από το ahlap και έτσι ξοδεύει λιγότερα slots αδράνειας τα οποία κοστίζουν αρκετά σε κατανάλωση ενέργειας.

26 26 8. Συµπεράσµατα Στην εργασία αυτή µελετήθηκε η χρήση της λειτουργίας εξοικονόµησης ενέργειας σε ασύρµατα δίκτυα τα οποία χρησιµοποιούνε πρωτόκολλο ahlap. Παρατηρείται πως µε τη χρήση αυτής της λειτουργίας η ενεργειακή συµπεριφορά του δικτύου βελτιώνεται αισθητά µε µειώσεις κατανάλωσης που αγγίζουν το 40% σε υψηλό φόρτο δικτύου. Το σηµαντικότερο είναι πως η προσθήκη αυτής της λειτουργίας είναι εύκολη και µε πολύ µικρό κόστος. Μόνο µερικά bits παραπάνω στο πακέτο δεδοµένων είναι αρκετά. Αυτή η εξοικονόµηση ενέργειας µπορεί να µην παίζει σηµαντικό ρόλο για συσκευές που έχουν συνεχή τροφοδοσία ρεύµατος αλλα έχει τη δυνατότητα να αυξήσει σηµαντικά την αυτονοµία των φορητών συσκευών που συνδέονται σε ασύρµατα δίκτυα.

27 27 9. Αναφορές [1]. P. Nicopolitidis, G.I. Papadimitriou, A.S. Pomportsis, Distributed protocols for ad hoc wireless LANs:a learning-automata-based approach [2]. Petros Nicopolitidis, Georgios I.Papadimitriou, T.D.Lagkas and Andreas S.Pomportsis A low power adaptive mac protocol for infrastructure wireless lans