Μελέτη Α όδοσης Πρωτοκόλλου AHLAP για Αδόµητα Ασύρµατα ίκτυα

Transcript

1 Μελέτη Α όδοσης Πρωτοκόλλου AHLAP για Αδόµητα Ασύρµατα ίκτυα -1-

2 Περιεχόµενα Περιεχόµενα... 2 Περίληψη Εισαγωγή Εισαγωγή στα ασύρµατα δίκτυα Εφαρµογές ασύρµατων δικτύων Εισαγωγή στααδόµητα ασύρµατα δίκτυα Χαρακτηριστικά αδόµητων ασύρµατων δικτύων Πρωτόκολλα Μετάδοσης σε Ασύρµατα ίκτυα Πρωτόκολλα ανίχνευσης φέροντος To πρωτόκολλο IEEE DCF Το πρωτόκολλο TDMA Το πρωτόκολλο AHLAP (ad hoc learing automata Protocol) Μανθάνοντα Αυτόµατα Περιγραφή πρωτοκόλλου AHLAP Προσοµοίωση Τα Είδη Μοντέλων Προσοµοίωσης Ο Μηχανισµός Εξέλιξης του Χρόνου Περιβάλλον παράµετροι προσοµοίωσης Αποτελέσµατα Βιβλιογραφία Παράρτηµα: Κώδικας προσοµοίωσης

3 Περίληψη Στην παρούσα εργασία παρουσιάζουµε το πρωτόκολλο AHLAP για ασύρµατα ad hoc δίκτυα βασισµένο σε µανθάνοντα αυτόµατα (learning automata). Τα µανθάνοντα αυτόµατα είναι αποδοτικές δοµές που µπορούν να πετύχουν την προσαρµογή στα συστήµατα που λειτουργούν στην ευµετάβλητα ή/και άγνωστα περιβάλλοντα [3,4]. Το πρωτόκολλο που παρουσιάζεται είναι αρκετά αποτελεσµατικό σε δεδοµένα που µεταδίδονται κατά ριπάς (bursty) όπως προκύπτει από την προσωµοίωση που υλοποιήσαµε. Σύµφωνα µε το προτεινόµενο πρωτόκολλο, ο κινητός σταθµός που µπορεί να µεταδώσει επιλέγεται µε τη βοήθεια των µανθανόντων αυτοµάτων. Σε κάθε σταθµό, το µανθάνον αυτόµατο λαµβάνει υπόψη τις πληροφορίες ανατροφοδότησης από το δίκτυο προκειµένου να ενηµερωθεί η πιθανότητα µετάδοσης κάθε κινητού σταθµού. Η ανατροφοδότηση δικτύων περιέχει τις πληροφορίες για το τρόπο κυκλοφορίας πακέτων. Αποδεικνύεται [5], ότι ο αλγόριθµος εκµάθησης τείνει ασυµπτωτικά να αναθέσει σε κάθε σταθµό µια µερίδα του εύρους ζώνης ανάλογης προς τις ανάγκες του σταθµού. Τα WLANs χαρακτηρίζονται από τις αναξιόπιστες συνδέσεις µεταξύ των κόµβων µε συνέπεια λάθη στις µεταδόσεις και των δυναµικά µεταβαλλόµενες τοπολογίες. Τα σύγχρονα MAC πρωτόκολλα για WLAN πρέπει να είναι σε θέση να χειριστούν αποτελεσµατικά τη κατά ριπάς κυκλοφορία που αναµένεται να παραχθεί από εφαρµογές µεταφοράς πολυµέσων µεταξύ των κόµβων του WLAN. Το πρωτόκολλο AHLAP αποδεικνύει ανώτερη απόδοση έναντι στο TDMA σε όλες τις περιπτώσεις. Σε σχέση µε το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ , όσο πιο κατά ριπάς είναι η κυκλοφορία δικτύων, τόσο µεγαλύτερη η αύξηση απόδοσης AHLAP. Επιπλέον, η υλοποίηση του AHLAP είναι ευκολότερη από αυτή του IEEE Στην εργασία αυτή επιχειρήθηκε η υλοποίηση µιας event-driven προσωµοίωσης του AHLAP και εξήχθησαν χρήσιµα συµπεράσµατα σχετικά µε την απόδοση του, µεταβάλλοντας το φόρτο και το µήκος της κατά ριπάς περιόδου αποστολής των κινητών σταθµών. -3-

4 1. Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή στα ασύρµατα δίκτυα 1.2 Εισαγωγή στα αδόµητα δίκτυα 1.2 Χαρακτηριστικά των αδόµητων δικτύων 1.3 Πρωτόκολλα µετάδοσης σε ασύρµατα δίκτυα 1.1 Εισαγωγή στα ασύρµατα δίκτυα Τα ασύρµατα δίκτυα αποτελούν έναν από τους γρηγορότερα εξελισσόµενους τοµείς της βιοµηχανίας των υπολογιστών. Παραδείγµατα αποτελούν οι φορητοί υπολογιστές, όπως είναι τα notebooks και τα laptops και οι προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (Personal Digital Assistants - PDAs). Πολλοί από τους κατόχους ασύρµατων υπολογιστών έχουν παράλληλα και προσωπικούς υπολογιστές γραφείου συνδεδεµένους σε κάποιο τοπικό δίκτυο, το οποίο µπορεί να βρίσκεται είτε στο σπίτι τους, είτε στο χώρο εργασίας τους. Αποτελεί πολύ συνηθισµένη περίπτωση αυτοί οι χρήστες να θέλουν να βρίσκονται συνδεδεµένοι µε το δίκτυο αυτό, είτε όταν βρίσκονται σε κάποια άλλη τοποθεσία, είτε καθοδόν. Από τη στιγµή που δεν είναι καθόλου πρακτική η χρήση καλωδίων σε αεροπλάνα, πλοία, ή τραίνα, η έννοια της ασύρµατης δικτύωσης αποτελεί µια πολύ ευέλικτη και πρακτική λύση. Οι χρήσεις των ασύρµατων δικτύων είναι πολλές. Η πιο κοινή είναι εκείνη του φορητού γραφείου. Οι χρήστες που βρίσκονται στη µέση ενός ταξιδιού πολύ συχνά θέλουν να χρησιµοποιούν τους φορητούς τους υπολογιστές, για να στέλνουν και να λαµβάνουν µηνύµατα, τηλεφωνήµατα, fax, να συνδέονται µε το δίκτυο της εταιρείας τους, κλπ και θέλουν να µπορούν να το κάνουν αυτό, είτε όταν βρίσκονται στην ξηρά, είτε στη θάλασσα, είτε στον αέρα. Ένα από τα µεγαλύτερα πλεονεκτήµατα των ασύρµατων τοπικών δικτύων είναι η εύκολη εγκατάσταση. Η τοπική δικτύωση τον υπολογιστών µε τη χρήση κεραιών είναι πολύ φθηνότερη και πρακτικότερη από την εισαγωγή ενός συστήµατος καλωδίωσης, το οποίο περιλαµβάνει την εισαγωγή καλωδίων µέσα από τοίχους, ταβάνια, κάτω από πατώµατα κλπ. Παρόλο που τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα έχουν το πολύ ισχυρό πλεονέκτηµα της εύκολης εγκατάστασης, έχουν και πολύ σοβαρά µειονεκτήµατα. Καταρχήν, χαρακτηρίζονται από -4-

5 πολύ χαµηλότερες χωρητικότητες µεταφοράς δεδοµένων από τα αντίστοιχα τοπικά δίκτυα καλωδίου. ηλαδή, ενώ σε ένα τυπικό δίκτυο Ethernet η ταχύτητα µεταφοράς δεδοµένων µπορεί να φθάσει και µέχρι τα 100 Mbps, σε ένα ασύρµατο τοπικό δίκτυο η χωρητικότητα δε ξεπερνά τα 1-2 Mbps. Ακόµη, η συχνότητα λαθών είναι υψηλότερη και οι παρεµβολές από τις µεταδόσεις γειτονικών σταθµών πολλές. Μέχρι πρόσφατα, τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα δεν είχαν µεγάλη ζήτηση. Μερικές από τις αιτίες ήταν το υψηλό κόστος, η χαµηλή χωρητικότητα µεταφοράς δεδοµένων, η απαίτηση κατοχής ειδικής άδειας για τη µετάδοση σε συγκεκριµένες περιοχές συχνοτήτων, κλπ. Με την αντιµετώπιση όµως όλων αυτών των προβληµάτων η δηµοτικότητα της ασύρµατης τοπικής δικτύωσης αυξήθηκε σηµαντικά Εφαρµογές ασύρµατων δικτύων Τέσσερις περιοχές εφαρµογής των ασύρµατων τοπικών δικτύων είναι: Η χρήση τους ως η επέκταση ενός τοπικού δικτύου Η χρήση τους στη διασύνδεση τοπικών δικτύων που βρίσκονται σε διαφορετικά κτίρια Η νοµαδική πρόσβαση και Η δικτύωση Ad Hoc Ε έκταση το ικού δικτύου Παλαιότερα, τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα θεωρούνταν ως ένα υ οκατάστατο των τοπικών δικτύων µε καλώδιο. Με ένα ασύρµατο τοπικό δίκτυο αποφεύγονται τα διάφορα έξοδα που σχετίζονται µε την εγκατάσταση της καλωδίωσης και παράλληλα διευκολύνονται οι λειτουργίες της αναδιάρθρωσης - ανακατάταξης της δικτυακής υποδοµής (όταν βέβαια αυτή χρειάζεται να λάβει χώρα). Ωστόσο, αυτό το πολύ σηµαντικό κίνητρο για τη χρήση των ασύρµατων τοπικών δικτύων επικαλύφθηκε από µια σειρά άλλων γεγονότων. Καταρχήν, καθώς η ανάγκη για τοπική δικτύωση γινόταν ολοένα και µεγαλύτερη, τα νέα κτίρια σχεδιάζονταν µε τέτοιο τρόπο ώστε να µπορούν να συµπεριλάβουν επιπλέον καλωδίωση για εφαρµογές δεδοµένων. Επίσης, µε την εξέλιξη της τεχνολογίας στη µετάδοση των δεδοµένων, άρχισε να υπάρχει µια αυξανόµενη εµπιστοσύνη στην καλωδίωση σύστροφου ζεύγους (twisted pair) και ειδικά στην ποιότητα κατηγορίας 3, από την οποία τα περισσότερα (και ειδικά τα παλαιότερα) κτίρια -5-

6 διέθεταν αρκετή. Κατά συνέπεια, η χρήση των ασύρµατων τοπικών δικτύων ως οι αντικαταστάτες των τοπικών δικτύων µε καλώδιο δε γνώρισε µεγάλη αποδοχή. Εν τούτοις, υπάρχουν και µερικά περιβάλλοντα στα οποία τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα αποτελούν καλύτερη λύση από ένα δίκτυο µε καλώδιο. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν: Περιβάλλοντα µεγάλων εκτάσεων, όπως οι χώροι παραγωγής ενός εργοστασίου ή µιας αποθήκης. Πολύ παλιά κτίρια, στα οποία είτε το άνοιγµα τρυπών στους τοίχους απαγορεύεται, είτε η καλωδίωση είναι ανεπαρκής ή ανύπαρκτη Μικρά γραφεία, όπου η εγκατάσταση και η συντήρηση ενός δικτύου µε καλώδιο είναι αντιοικονοµική Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, ένα ασύρµατο δίκτυο αποτελεί µια αποδοτική και ελκυστική εναλλακτική λύση. Στις περισσότερες από αυτές τις περιπτώσεις, θα υπάρχει επίσης και ένα δίκτυο µε καλώδιο το οποίο θα πρέπει να διασυνδεθεί µε ένα ασύρµατο δίκτυο. Για παράδειγµα, είναι πολύ συνηθισµένο µια εργοστασιακή επιχείρηση να αποτελείται από ένα χώρο γραφείων, ο οποίος βρίσκεται ξεχωριστά από το χώρο παραγωγής, αλλά πρέπει να είναι συνδεδεµένος µε αυτόν, έτσι ώστε να παρέχονται δικτυακές υπηρεσίες στο προσωπικό (π.χ. παρακολούθηση των χώρων λειτουργίας από τον επόπτη, ηλεκτρονική διαχείριση της αποθήκης κλπ). Μια τυπική λύση στην περίπτωση αυτή είναι η σύνδεση ενός ενσύρµατου µε ένα ασύρµατο τοπικό δίκτυο, µε το πρώτο να βρίσκεται στο χώρο των γραφείων και το δεύτερο στο χώρο της παραγωγής. Ο τύπος αυτός της εφαρµογής των ασύρµατων τοπικών δικτύων αναφέρεται ως ε έκταση το ικού δικτύου. Στο παρακάτω σχήµα δίδεται ένα παράδειγµα. -6-

7 Στο παραπάνω σχήµα βλέπουµε µια εγκατάσταση ενός ασύρµατου δικτύου. Υπάρχει µια «ραχοκοκαλιά» (backbone) ενός παραδοσιακού τοπικού δικτύου (µε καλωδίωση δηλαδή, όπως Ethernet), στην οποία βρίσκονται συνδεδεµένοι οι διακοµιστές, µερικοί σταθµοί εργασίας και οπωσδήποτε µερικές συσκευές διασύνδεσης τοπικών δικτύων, όπως γέφυρες και δροµολογητές. Επιπρόσθετα, υπάρχουν και δύο υ οµονάδες: η υ οµονάδα ελέγχου (Control Module - CM) και η υ οµονάδα χρήστη (User Module - UM). Η CM εκτελεί τις λειτουργίες είτε µιας γέφυρας, είτε ενός δροµολογητή, διασυνδέοντας το ασύρµατο δίκτυο µε τη ραχοκοκαλιά και η UM αποτελεί µια οποιαδήποτε συσκευή χρήστη, η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη διασύνδεση ενός τοπικού δικτύου µε ένα άλλο (όπως ένα hub, ένας δροµολογητής, µια γέφυρα, κλπ). ιακτιριακή διασύνδεση το ικών δικτύων Μία άλλη χρήση των ασύρµατων τοπικών δικτύων βρίσκεται στη σύνδεση τοπικών δικτύων (ασύρµατων ή µη) που βρίσκονται σε διπλανά κτίρια. Στην περίπτωση αυτή, χρησιµοποιείται µια ασύρµατη σύνδεση από σηµείο-σε-σηµείο (wireless point-to-point link) µεταξύ των δύο κτιρίων. Οι συσκευές που συνήθως διασυνδέονται είναι γέφυρες ή δροµολογητές. Νοµαδική ρόσβαση Η νοµαδική πρόσβαση παρέχει µία ασύρµατη σύνδεση µεταξύ ενός τοπικού δικτύου και ενός φορητού υπολογιστή, ο οποίος είναι εξοπλισµένος µε µια κεραία, όπως είναι ένα laptop ή ένα notepad. Ένα παράδειγµα χρήσης µιας τέτοιου είδους σύνδεσης είναι να µπορεί ένας υπάλληλος που γυρίζει από ένα ταξίδι να µεταφέρει πληροφορίες από τον προσωπικό του -7-

8 υπολογιστή στον υπολογιστή στο γραφείο του. Η νοµαδική πρόσβαση είναι επίσης χρήσιµη και σε χώρους όπως µια επιχείρηση, ή µια πανεπιστηµιούπολη, στους οποίους τα κτίρια βρίσκονται συγκεντρωµένα ανά οµάδες. Στις περιπτώσεις αυτές, οι χρήστες µπορούν να µετακινούνται µέσα στο χώρο της επιχείρησης ή του πανεπιστηµίου και µε τους φορητούς υπολογιστές τους να προσπελαύνουν αρχεία των servers και των υπολογιστών που βρίσκονται συνδεδεµένοι σε κάποιο τοπικό δίκτυο. Αδόµητη ικτύωση Μία ακόµη χρήση των ασύρµατων δικτύων είναι εκείνη της αδόµητης δικτύωσης ή αλλιώς της Ad Hoc Networking. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει κάποιος κεντρικός υπολογιστής που να διαχειρίζεται το δίκτυο, αλλά απλά οι υπολογιστές είναι συνδεδεµένοι ο ένας µε τον άλλο. ίκτυα τέτοιου είδους συνήθως εγκαθίστανται προσωρινά και έχουν ως σκοπό την εξυπηρέτηση µιας άµεσης ανάγκης. Για παράδειγµα, µπορούµε να σκεφτούµε την περίπτωση όπου µια οµάδα υπαλλήλων συνδέουν τους φορητούς υπολογιστές τους, ώστε να εξυπηρετηθούν οι ανάγκες µιας on-line σύσκεψης ή παρουσίασης, όπου σε έναν υπολογιστή θα γίνεται η παρουσίαση και οι υπόλοιποι θα µπορούν να την παρακολουθούν από τους προσωπικούς τους υπολογιστές. Στο παρακάτω σχήµα απεικονίζονται ένα αδόµητο ασύρµατο δίκτυο (Ad Hoc Wireless LAN) και ένα ασύρµατο δίκτυο το οποίο υποστηρίζει LAN extension και νοµαδική πρόσβαση. -8-

9 1.2 Εισαγωγή στα αδόµητα ασύρµατα δίκτυα Στα δίκτυα υπολογιστών ο όρος «ad-hoc» χρησιµοποιείται για να δηλώσει µια µέθοδο διασύνδεσης η οποία συνήθως σχετίζεται µε ασύρµατα δίκτυα. εν υπάρχει συγκεκριµένη ορολογία στα ελληνικά η οποία να δηλώνει ένα ad-hoc δίκτυο, και ένα τέτοιο δίκτυο ονοµάζεται είτε αδόµητο είτε αδόµητο δίκτυο, µε τον δεύτερο όρο να επικρατεί στη βιβλιογραφία. Τα δίκτυα ad-hoc εντάσσονται σε µια ευρύτερη κατηγορία δικτύων (Distributed Transient Network) η οποία ορίζεται σαν τα δίκτυα αυτά τα οποία είναι εν γένει αποκεντρωµένα και αποτελούνται κυρίως από κόµβους τα οποία δεν ανήκουν εξ ορισµού και διαρκώς στο δίκτυο αλλά έχουν την δυνατότητα να εισέρχονται ή να αποχωρούν από το δίκτυο οποιαδήποτε στιγµή και από οποιοδήποτε σηµείο του. Η σύνδεση που πραγµατοποιείται κατά µήκος ενός αδόµητου δικτύου πραγµατοποιείται καθ όλη τη διάρκεια µιας σύζευξης και δεν απαιτεί την ύπαρξη σταθµού βάσης. Αντίθετα, οι συσκευές ανακαλύπτουν την ύπαρξη άλλων συσκευών που βρίσκονται γύρω τους για να δηµιουργήσουν ένα δίκτυο που αποτελείται από αυτές τις συσκευές. Οι συνδέσεις πραγµατοποιούνται δια µέσου πολλών κόµβων (multihop ad hoc network). Οι κόµβοι του δικτύου παίζουν ενεργό ρόλο κατά την δροµολόγηση των πακέτων, προωθώντας εκτός από τα δικά τους πακέτα και τα πακέτα γειτονικών κόµβων. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι χρήσιµο σε περιπτώσεις που ο αποστολέας και ο παραλήπτης ενός πακέτου δεν βρίσκονται εντός της ακτίνας ο ένας του άλλου (ή πιθανόν µόνο ο ένας από τους δύο βρίσκεται εντός της ακτίνας του άλλου). Κάθε κόµβος έχει τη δυνατότητα να λάβει και να προωθήσει δεδοµένα σε άλλους κόµβους. Αυτό έρχεται σε αντίθεση µε παλαιότερες δικτυακές τεχνολογίες όπου υπάρχουν κόµβοι µε αποκλειστική λειτουργία την προώθηση των δεδοµένων σε άλλους κόµβους, όπως για παράδειγµα οι routers. Τα πρωτόκολλα δροµολόγησης στη συνέχεια αναλαµβάνουν την παροχή αξιόπιστων συνδέσεων ακόµα κι αν οι κόµβοι µετακινούνται. Έτσι η τοπολογία του δικτύου µπορεί να µεταβάλλεται ραγδαία και απρόβλεπτα. Ένα τέτοιο δίκτυο µπορεί να λειτουργεί αυτόνοµα ή µπορεί να συνδέεται στο Internet, και η ύπαρξη του συνήθως δεν είναι µόνιµη. Εξαιτίας της φορητής και µη δοµηµένης φύσης των δικτύων ad-hoc εγείρεται ένα σύνολο από νέες απαιτήσεις κατά το σχεδιασµό τους. Καταρχήν απαιτείται το δίκτυο να είναι αυτορυθµιζόµενο όσον αφορά στις διευθύνσεις και τη δροµολόγηση, ενώ σε επίπεδο εφαρµογής οι χρήστες του δικτύου συνήθως επικοινωνούν και συνεργάζονται ως οµάδες. -9-

10 Αυτό εγείρει ένα µεγάλο σύνολο προβληµάτων και προκλήσεων που θα πρέπει να αντιµετωπιστούν για την αποτελεσµατική επικοινωνία. 1.3 Χαρακτηριστικά αδόµητων ασύρµατων δικτύων Το κυριότερο χαρακτηριστικό των αδόµητων δικτύων είναι η φορητότητα. Οι κόµβοι µπορεί να µετακινούνται συνεχώς και αυτός είναι και ο λόγος ανάπτυξης των συγκεκριµένων δικτύων. Το δίκτυο συνήθως αποτελείται από µικρό αριθµό κόµβων κάθε φορά, γεγονός όχι απόλυτο, οι οποίοι µπορεί να εισέρχονται και να εξέρχονται από το δίκτυο µε εντελώς τυχαία συχνότητα. Το δίκτυο είναι ετερογενές, δεν αποτελείται δηλαδή από έναν τύπο συσκευών. Μπορεί να αποτελείται από ένα σύνολο PDA, κινητών τηλεφώνων, φορητών υπολογιστών κτλ. τα οποία πρέπει να έχουν δυνατότητα επικοινωνίας µεταξύ τους. Η κατανοµή των κόµβων αυτών στο χώρο καθορίζει και την τοπολογία που θα χρησιµοποιηθεί. Αν για παράδειγµα όλες οι συσκευές βρίσκονται πολύ κοντά η µία µε την άλλη είναι εφικτή µία σύνδεση απλού hop από κόµβο σε κόµβο. Αντίθετα αν το δίκτυο εκτείνεται σε µεγάλη γεωγραφική έκταση απαιτείται multi-hop διασύνδεση µεταξύ των κόµβων. Η σηµασία των ad hoc δικτύων είναι πολύ µεγάλη, κυρίως χάρη στην µεγάλη ευκολία και ταχύτητα µε την οποία µπορούν να εγκατασταθούν, αφού δεν απαιτούν την ύπαρξη σταθερής υποδοµής. Ένα ακόµα πλεονέκτηµα της δυναµικής τους φύσης είναι η εύκολη προσθήκη και αποµάκρυνση νέων κόµβων, καθώς και το γεγονός ότι κάθε κόµβος εξαρτάται µόνο από τους γειτονικούς του, µε αποτέλεσµα την αυξηµένη αξιοπιστία των ad hoc δικτύων. Τα ad hoc δίκτυα παρουσιάζουν σηµαντική ανοµοιογένεια, αφού κάθε κόµβος µπορεί να διαφέρει από τους υπόλοιπους σε πολλά χαρακτηριστικά, όπως την υπολογιστική ισχύ, την ακτίνα εκποµπής ή την διάρκεια ζωής των µπαταριών (αν π.χ. είναι ένας φορητός υπολογιστής ή ένας PDA). Επιπλέον, τα διάφορα ad hoc δίκτυα µπορεί να διαφέρουν σε πολλά χαρακτηριστικά τους, όπως τους χρησιµοποιούµενους ρυθµούς επικοινωνίας, στο αν παρέχουν δυνατότητες broadcast ή multicast, στο αν συνυπάρχουν ή όχι µε άλλα δίκτυα τα οποία έχουν κάποια σταθερή υποδοµή ή τέλος, αν υποστηρίζουν την κινητικότητα των χρηστών και µε τι ρυθµούς. Σηµαντικό ρόλο σε κάθε ad hoc δίκτυο παίζει η ακτίνα µετάδοσης κάθε κόµβου. Συγκεκριµένα, όσο µεγαλύτερη είναι η ακτίνα µετάδοσης των κόµβων, τόσο µικρότερος θα είναι ο µέσος αριθµός µεταδόσεων που θα απαιτείται για την αποστολή ενός πακέτου από -10-

11 ένα κόµβο σε κάποιον άλλο. Από την άλλη µεριά η µικρή ακτίνα εκποµπής των κόµβων µειώνει την πιθανότητα συγκρούσεων συγκρούσεων, καθώς και τις παρεµβολές µεταξύ των κόµβων. Με άλλα λόγια, όσο µικρότερη είναι η ακτίνα εκποµπής, τόσο περισσότερες µεταδόσεις θα µπορούν να πραγµατοποιούνται ταυτόχρονα. Επιπρόσθετα, η ακτίνα µετάδοσης παίζει καθοριστικό ρόλο και στην κατανάλωση ενέργειας κάθε κόµβου, η οποία είναι µια πολύ σηµαντική παράµετρος στα περισσότερα ad hoc δίκτυα και συχνά η σηµαντικότερη στα MANET. Έτσι, η ακτίνα µετάδοσης θα πρέπει να επιλέγεται όσο το δυνατό µικρότερη, φροντίζοντας όµως ταυτόχρονα να µην είναι τόσο µικρή που το δίκτυο να παύει να είναι συνεκτικό. Μια καλή επιλογή είναι, συνήθως, να επιλέγεται η ακτίνα µετάδοσης, έτσι ώστε κάθε µετάδοση να «ακούγεται» από περίπου 6 κόµβους (βλ. Σχήµα 1). Σχήµα 1: Περί τωση µετάδοσης α ό 6 κόµβους Οι Micah Adler και Christian Scheideler, προτείνουν ένα µοντέλο τριών επιπέδων για την περιγραφή ενός δικτύου ad-hoc [11]. Αρχικά, έχουµε το επίπεδο ελέγχου προσπέλασης µέσου (Medium Access Control layer), το οποίο είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία από σηµείο σε-σηµείο (node-to-node) στο φυσικό µέσο. Ακολούθως έχουµε το επίπεδο επιλογής διαδροµής, (route selection layer), το οποίο είναι υπεύθυνο για την εύρεση κατάλληλων διαδροµών για τα πακέτα. Τέλος, έχουµε το επίπεδο χρονοπρογραµµατισµού (scheduling layer), που είναι υπεύθυνο για τον καθορισµό της σειράς αποστολής των πακέτων. 1 εν έχουν συµπεριφορά µετρητικής διάταξης και η επικοινωνία καθορίζεται από τις ανάγκες των εφαρµογών. 2 Οι κόµβοι είναι πολλών και διαφόρων µεγεθών. 3 Ανανεώσιµες και µεγαλύτερες πηγές ενέργειας. -11-

12 4 Σχετικά ακριβοί κόµβοι 5 υνατότητα εύρεσης και αποκατάστασης σφαλµάτων και αλλαγής µπαταρίας 6 Ο χρόνος ζωής των κόµβων δεν εξαρτάται από τη διάρκεια της µπαταρίας αφού αυτή αντικαθίσταται εύκολα 7 Μικρή πυκνότητα κόµβων 8 Περιοχή µετάδοσης που φτάνει τα 500µ. 9 Ισχυρή υπολογιστική ισχύς και µεγάλη µνήµη 10 Οι κόµβοι επικοινωνούν µε το δίκτυο σχεδόν σε όλη τη διάρκεια της σύνδεσης 11 Η επικοινωνία πραγµατοποιείται µεταξύ συγκεκριµένων κόµβων όταν απαιτηθεί από τους χρήστες 12 Συνεχόµενη ροή πληροφορίας 13 Μεγάλο εύρος ζώνης 14 Η λειτουργία του δικτύου είναι ίδια για όλες τις εφαρµογές Πίνακας 1: Συγκεντρωτικά χαρακτηριστικά ασύρµατων αδόµητων δικτύων 1.4 Πρωτόκολλα Μετάδοσης σε Ασύρµατα ίκτυα Το πρώτο πρωτόκολλο που αναπτύχθηκε για τα ειδικά ασύρµατα δίκτυα ήταν το ALOHA. Η αρχή του ALOHA είναι απλή: όποτε κάθε σταθµός έχει ένα πακέτο στοιχείων για να µεταδόσει, το µεταδίδει. Το πρωτόκολλο ALOHA, αν και εύκολο στην υλοποίηση παρουσιάζει χαµηλή απόδοση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι «τυφλές» προσβάσεις του καναλιού που γίνονται από τους κινητούς σταθµούς οδηγούν σε έναν µεγάλο αριθµό συγκρούσεων των πακέτων. Η διάρκεια για µια µετάδοση πακέτων στοιχείων καθορισµένου µεγέθους καλείται θυρίδα (slot). To ALOHA παρουσιάζει µέγιστη ρυθµοαπόδοση 0,18 πακέτων/θυρίδα για ένα συνολικό προσφερθέν φορτίο δικτύων 0,5 πακέτων/ θυρίδα. Μια βελτίωση του ALOHA, είναι το ALOHA µε θυρίδες, το οποίο διαιρεί το χρόνο σε χρονικές θυρίδες και απαιτεί ότι οι µεταδόσεις πακέτων µπορούν να γίνουν µόνο στην αρχή µιας θυρίδας. Το ALOHA µε θυρίδες διπλασιάζει την απόδοση του ALOHA και παρουσιάζει µέγιστη ρυθµοαπόδοση 0,36 πακέτων/θυρίδα για ένα συνολικό προσφερθέν δίκτυο φορτίο 1 πακέτου/θυρίδα. Εντούτοις, πρέπει να διαπιστωθεί ότι αυτές οι τιµές για το -12-

13 ALOHA και το ALOHA µε θυρίδες δεν έχουν µια πρακτική έννοια δεδοµένου ότι συνοδεύονται από τις υπερβολικές καθυστερήσεις δικτύου και την αστάθεια πρωτοκόλλου. Με εξαίρεση το ALOHA, όλα τα άλλα διανεµηµένα πρωτόκολλα για ειδικό WLANs χρησιµοποιούν την ανίχνευση φέροντος (carrier sensing) [6]. Ένα πρόβληµα σε αυτά τα πρωτόκολλα προέρχεται από το γεγονός ότι γενικά, δεν µπορεί να υποτεθεί µια πλήρως συνδεδεµένη τοπολογία µεταξύ των κόµβων ενός WLAN. Αυτό το πρόβληµα προκαλεί τα γνωστά προβλήµατα του «κρυµµένου» (hidden) ή/και «εκτεθιµένου» (exposed) σταθµού. Το πρόβληµα του «κρυµµένου» σταθµού περιγράφει την κατάσταση όπου ένας σταθµός Α, που δεν βρίσκεται στην ακτίνα ενός άλλου σταθµού Γ, δεν ανιχνεύει κανέναν φέρον σήµα και αρχίζει µια µετάδοση. Εάν το Γ ήταν στη µέση µιας µετάδοσης, τα πακέτα των δύο σταθµών θα συγκρούονταν σε όλους τους άλλους σταθµούς Β που µπορούν να ακούσουν και το Α και το Γ. Το αντίθετο αυτού του προβλήµατος είναι το πρόβληµα του «εκτεθιµένου» σταθµού. Σε αυτήν την περίπτωση, το Β αναβάλλει τη µετάδοση δεδοµένου ότι ακούει το φορέα του Α. Εντούτοις, ο στόχος του Β, δηλαδή ο Γ, είναι εκτός εµβέλειας του Α. Σε αυτήν την περίπτωση η µετάδοση του Β θα µπορούσε να παραληφθεί επιτυχώς από το Γ, εντούτοις αυτό δεν συµβαίνει δεδοµένου ότι το Β αναβάλλει τη δική του µετάδοση λόγω της µετάδοση του Α. Τα δύο αυτά προβλήµατα, έχει αποδειχθεί, ότι µειώνουν την απόδοση των πρωτοκόλλων ανίχνευσης φέροντος. Το αντιπροσωπευτικότερο πρωτόκολλο ανίχνευσης φέροντος για αδόµητα WLANs είναι η, ορισµένη από το ΙΕΕΕ , διανεµηµένη λειτουργία συντονισµού (DCF). Λόγω του γεγονότος ότι η απόδοσή της, συγκρίνεται µε αυτήν του προτεινλοµενου AHLAP, περιγράφουµε εν συντοµία τη λειτουργία της κατωτέρω. Πρέπει να διαπιστωθεί ότι η ΙΕΕΕ DCF έχει µια πιό περίπλοκη υλοποιηση από το AHLAP γιατί χρησιµοποιεί διάφορα πρόσθετα τεχνικά χαρακτηριστικά. Όπως θα συζητηθεί αργότερα, αυτά είναι (α) χρήση των ανταλλαγών πακέτων ελέγχου, (β) η ανίχνευση φέροντος και (γ) η χρήση περισσότερων από ενός interframe spaces (IFSs) Πρωτόκολλα ανίχνευσης φέροντος Ε ίµονο και µη ε ίµονο CSMA Ένα άλλο πρωτόκολλο δυναµικής ανάθεσης του καναλιού είναι το CSMA (Carrier Sense Multiple Access- Πολλαπλή Προσπέλαση µε Ανίχνευση Φέροντος). -13-

14 1- επίµονο CSMA(persistent): Όταν ένας σταθµός έχει να στείλει δεδοµένα, κατ αρχάς ακούει µε προσοχή το κανάλι για να διαπιστώσει εάν κάποιος άλλος σταθµός µεταδίδει. Αν το κανάλι είναι απασχοληµένο τότε ο σταθµός περιµένει έως ότου ελευθερωθεί. Αν ο σταθµός εντοπίσει ελεύθερο κανάλι, µεταδίδει ένα πλαίσιο. Αν συµβεί σύγκρουση, ο σταθµός αναµένει για ένα τυχαίο χρονικό διάστηµα και µετά αρχίζει πάλι από την αρχή. Το πρωτόκολλο αυτό ονοµάζεται 1- επίµονο CSMA γιατί ο σταθµός µεταδίδει µε πιθανότητα 1 όποτε βρει αδρανές το κανάλι. Οι συγκρούσεις είναι και εδώ αναπόφευκτες. Αν π.χ. 2 σταθµοί γίνουν έτοιµοι για αποστολή πλαισίων στη µέση της µετάδοσης ενός τρίτου σταθµού, τότε περιµένουν και οι 2 µέχρι να τελειώσει αυτός και στη συνέχεια αρχίζουν να µεταδίδουν ακριβώς ταυτόχρονα µε αποτέλεσµα να δηµιουργήσουν µια σύγκρουση. Αν οι σταθµοί δεν ήταν τόσο επίµονοι τότε θα συνέβαιναν λιγότερες συγκρούσεις. Ακόµα και έτσι όµως, η απόδοση του πρωτοκόλλου αυτού θεωρείται καλύτερη σε σχέση µε τα πρωτόκολλα Aloha καθώς και οι 2 σταθµοί απέχουν από κάθε ανάµειξη µε το πλαίσιο του τρίτου σταθµού. ιαισθητικά, αυτό οδηγεί σε καλύτερη απόδοση σε σχέση µε το καθαρό Aloha όπως επίσης και σε σχέση µε το Aloha µε σχισµές. Μη- επίµονο CSMA(non- persistent): Αποτελεί και αυτό ένα από τα πρωτόκολλα µε ανίχνευση φέροντος. Στο πρωτόκολλο αυτό, πραγµατοποιείται µια συνειδητή προσπάθεια ούτως ώστε οι σταθµοί να µην είναι τόσο επίµονοι. Ένας σταθµός ανιχνεύει το κανάλι προτού µεταδώσει. Αν κανείς άλλος δεν µεταδίδει εκείνη τη στιγµή, τότε αρχίζει να µεταδίδει. Στην περίπτωση που το κανάλι βρίσκεται ήδη σε χρήση, ο σταθµός δεν το ανιχνεύει συνέχεια µε σκοπό να το χρησιµοποιήσει αµέσως µόλις εντοπίσει το τέλος της προηγούµενης µετάδοσης. Αντιθέτως, περιµένει ένα τυχαίο χρονικό διάστηµα και κατόπιν επαναλαµβάνει τον αλγόριθµο. ιαισθητικά, επιτυγχάνεται καλύτερη χρήση του καναλιού αλλά και µεγαλύτερες χρονικές καθυστερήσεις σε σχέση µε το 1-επίµονο CSMA. p-επίµονο CSMA: Το πρωτόκολλο αυτό εφαρµόζεται σε κανάλια µε σχισµές. Όταν ένας σταθµός θέλει να µεταδώσει, ανιχνεύει πρώτα το κανάλι. Αν το κανάλι είναι ελεύθερο, τότε µεταδίδει µε πιθανότητα p. Με πιθανότητα q=1-p καθυστερεί έως και την επόµενη σχισµή. Αν αυτή η σχισµή είναι επίσης ελεύθερη, είτε µεταδίδει είτε καθυστερεί µε πιθανότητες και πάλι p και q αντίστοιχα. Η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται µέχρις ότου είτε µεταδωθεί το πλαίσιο είτε αρχίσει να µεταδίδει κάποιος άλλος σταθµός. Στην τελευταία περίπτωση, ενεργεί -14-

15 σαν να είχε συµβεί σύγκρουση (δηλαδή περιµένει για ένα τυχαίο χρονικό διάστηµα και ξαναρχίζει). Αν ο σταθµός αρχικά αντιληφθεί ότι το κανάλι είναι απασχοληµένο τότε περιµένει έως την επόµενη σχισµή και εφαρµόζει τον παραπάνω αλγόριθµο. CSMA µε ανίχνευση σύγκρουσης Επίµονα και µη επίµονα πρωτόκολλα CSMA παρουσιάζουν µια πρόοδο σε σχέση µε τα πρωτόκολλα Aloha γιατί εξασφαλίζουν πως κανένας σταθµός δεν αρχίζει να µεταδίδει όταν αντιληφθεί πως το κανάλι είναι απασχοληµένο. Μια άλλη βελτίωση θεωρείται και η εγκατάλειψη της µετάδοσης µόλις ένας σταθµός ανιχνεύσει µια σύγκρουση. Με άλλα λόγια, αν 2 σταθµοί αντιληφθούν ότι το κανάλι είναι ελεύθερο και αρχίσουν να µεταδίδουν συγχρόνως τότε και οι 2 ανιχνεύουν τη σύγκρουση και αντί να ολοκληρώσουν τη µετάδοση των πλαισίων τους, διακόπτουν τη µετάδοση αµέσως µόλις ανιχνευθεί η σύγκρουση. Ο γρήγορος τερµατισµός των κατεστραµµένων πλαισίων εξοικονοµεί χρόνο και εύρος ζώνης. Το προαναφερθέν πρωτόκολλο ονοµάζεται πρωτόκολλο ολλα λής ρόσβασης µε ανίχνευση φέροντος και ανίχνευση σύγκρουσης ή CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Η φύση του πρωτοκόλλου το καθιστά µη εφαρµόσιµο σε ασύρµατα δίκτυα. Αυτό κατά βάση οφείλεται στην αδυναµία ανίχνευσης σύγκρουσης σε ασύρµατο µέσο. Στην περίπτωση που το µέσο είναι ενσύρµατο, τότε η σύγκρουση προκαλεί θόρυβο στο κανάλι τον οποίο τον «ανιχνεύουν» όλοι οι σταθµοί. Αυτή η ευκολία δεν παρέχεται όταν µιλάµε για ασύρµατο µέσο To πρωτόκολλο IEEE DCF Το πρωτόκολλο DCF είναι ουσιαστικά το πρωτόκολλο Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) CSMA/CA. Ετσι, οι µεταδόσεις στοιχείων µπορούν µόνο να αρχίσουν στην αρχή κάθε θυρίδας. Το πρότυπο ΙΕΕΕ χρησιµοποιεί τις καθυστερήσεις µεταξύ των διαδοχικών µεταδόσεων πλαισίων, γνωστών ως interframe διαστήµατα (IFS). Τα βήµατα του πρωτοκόλλου προκειµένου να δώσει πρόσβαση στο κανάλι είναι 1. Όταν ένας σταθµός έχει ένα πακέτο για να µεταδόσει, πρώτα ανιχεύει το µέσο. Εάν το µέσο είναι ανενεργό για χρόνο IFS, ο σταθµός µπορεί να αρχίσει τη µετάδοση αµέσως. -15-

16 2. Εάν το µέσο είναι αρχικά κατεληµένο, ή γίνεται κατεληµένο κατά τη διάρκεια του IFS, ο σταθµός αναβάλλει τη µετάδοση και συνεχίζει να ελέγχει το µέσο έως ότου τελειώσει η τρέχουσα µετάδοση. 3. Όταν η τρέχουσα µετάδοση τελειώσει, ο σταθµός περιµένει ένα άλλο διάστηµα IFS, ελέγχοντας το µέσο. Εάν το µέσο είναι αδρανές κατά τη διάρκεια εκείνου του IFS, ο σταθµός υπαναχωρεί για έναν αριθµό θυρίδων χρησιµοποιώντας έναν δυαδικό εκθετικό αλγόριθµο και πάλι ανιχνεύει το µέσο. Εάν είναι ακόµα ελεύθερο, ο σταθµός µπορεί να αρχίσει τη µετάδοση. Φυσικά, δύο ή περισσότεροι σταθµοί µπορούν να επιλέξουν την ίδια θυρίδα για να ξεκινήσουν τη µετάδοση, ένα γεγονός που οδηγεί σε σύγκρουση. Το πρωτόκολλο IΕΕΕ DCF χρησιµοποιεί δύο IFS τιµές προκειµένου να επιτρέψει πρόσβαση προτεραιότητας στο κανάλι. Αυτές είναι, από την µικρότερη στη µεγαλύτερη, η µικρή ifs (SIFS) και η κατανεµηµένη IFS (DIFS). H DIFS είναι η ελάχιστη καθυστέρηση για τον ασύγχρονο ανταγωνισµό για τη πρόσβαση στο µέσο. Η SIFS χρησιµοποιείται για διάφορες MAC λειτουργίες του όπως η επιβεβαίωση επιπέδου MAC (ACK), ο τεµαχισµός πλαισίων σε επίπεδο MAC και η χρήση του αιτήµατος send/clear την ανταλλαγή πακέτων ελέγχου (RTS/CTS). Ο µηχανισµός RTS/CTS ενισχύει την διπλής κατεύθυνσης χειραψία του αλγορίθµου CSMA/CA (DATA-ACK) σε µια τετραπλή χειραψία (RTS CTS DATA - ACK). Όταν ένας σταθµός θέλει να διαβιβάσει ένα πακέτο, στέλνει ένα µικρό πακέτο RTS στον προορισµό. O κόµβος προορισµός, εάν είναι έτοιµος να λάβει το πακέτο δεδοµένων, αποκρίνεται µετά από ένα SIFS µε ένα το πακέτο CTS επιτρέποντας στο σταθµό που µεταδίδει να αρχίσει τη µετάδοση στοιχείων. Οι σταθµοί που λαµβάνουν τα πακέτα RTS ή CTS θα αναβάλουν έως ότου ολοκληρωθούν οι µεταδόσεις. Ο µηχανισµός RTS/CTS προσπαθεί να καταπολεµήσει το πρόβληµα «κρυµµένου» σταθµού. Τα RTS και CTS πακέτα ενηµερώνουν τους γείτονες και των δύο κόµβων επικοινωνίας για το µήκος (χρόνο) της τρέχουσας µετάδοσης. Οι σταθµοί που ακούνε είτε το RTS είτε το CTS πακέτο αναβάλλουν τις µεταδόσεις τους. Τα πακέτα RTS και CTS είναι µικρά σε σχέση µε τα πακέτα DATA. Κατά συνέπεια, όταν εµφανίζεται µια σύγκρουση µεταξύ των πακέτων RTS, σπαταλιέται το λιγότερο εύρος ζώνης σε σχέση µε αυτό που καταναλώνεται από τις συγκρούσεις που περιλαµβάνουν τα µεγαλύτερα πλαίσια δεδοµένων. Εντούτοις, η χρήση του µηχανισµού RTS/CTS σε ένα ελαφριά φορτωµένο µέσο ή στα περιβάλλοντα που χαρακτηρίζονται από τα µικρά πακέτα στοιχείων επιβάλλει µια πρόσθετη καθυστέρηση λόγω του πλεονάσµατος RTS/CTS. -16-

17 Το κοµµάτι της αποφυγής σύγκρουσης του πρωτοκόλλου εφαρµόζεται µέσω µιας τυχαίας διαδικασίας υπαναχώρησης (backoff). Όπως αναφέρθηκε, όταν ένας σταθµός ανιχνεύει ένα απασχοληµένο µέσο, περιµένει για µια περίοδο SIFS και στην συνέχεια υπολογίζει µια τιµή υπαναχώρησης. Αυτή η τιµή περιλαµβάνει το χρόνο από διάφορες θυρίδες. Αρχικά, ο σταθµός υπολογίζει έναν χρόνο υπαναχώρησης που κυµαίνεται από 0 έως 7 θυρίδες. Όταν το µέσο γίνεται ενενεργό, οι σταθµοί µειώνουν το µετρητή υπαναχώρησης έως ότου φθάνει στο µηδέν, ή έως ότου το µέσο γίνονται απασχοληµένο. Στην τελευταία περίπτωση, ο µετρητής υπαναχώρησης παγώνει έως ότου το µέσο ξαναγίνει ανενεργό. Όταν δύο ή περισσότεροι µετρητές σταθµών φτάσουν στο 0 ταυτόχρονα, τότε συµβαίνει µια σύγκρουση. Σε αυτήν την περίπτωση, οι σταθµοί υπολογίζουν ένα νέο παράθυρο υπαναχώρησης που δίνεται σε θυρίδες από τον τύπο [ 2 2+i *ranf()]*slot_time, όπου το i είναι ο αριθµός των προσπαθειών από τον σταθµό να µεταδόσει το τρέχον πλαίσιο στοιχείων, και slot_time είναι η διάρκεια µιας θυρίδας. Οι διαδοχικές συγκρούσεις προκαλούν εκθετική αύξηση του µέγεθους του παραθύρου υπαναχώρησης. Όταν φθάνει σε ένα ορισµένο µέγιστο, το οποίο είναι µια προκαθορισµένη παράµετρος γνωστή ως CWMax, το i γίνεται σε 1 και το µέγεθος του παραθύρου υπαναχώρησης ξαναγίνεται 7. Όταν ορισµένες προσπάθειες αναµεταδόσεων αποτύχουν για ένα συγκεκριµένο πλαίσιο, το πλαίσιο αυτό απορρίπτεται Το πρωτόκολλο TDMA Το πρωτόκολλο TDMA (Time Division Multiple Access) λειτουργεί ως εξής: Το εύρος ζώνης του καναλιού διαιρείται σε χρονικά πλαίσια- σχισµές. Σε κάθε έναν από τους χρήστες του δικτύου αντιστοιχεί και µια σχισµή. Έτσι, αν Ν=εύρος ζώνης και m=αριθµός των χρηστών τότε ο κάθε χρήστης παίρνει εύρος ζώνης Ν/m από το κανάλι, ανεξάρτητα αν το χρησιµοποιεί ή όχι. Ο κάθε χρήστης µεταδίδει µόνο µέσα στο χρόνο που του αναλογεί. Έξω από το πλαίσιο αυτό δεν µπορεί να µεταδώσει. Επιπλέον, ο χρόνος του καταναλίσκεται είτε έχει να στείλει κάτι είτε όχι. Το πρωτόκολλο εξασφαλίζει προσπέλαση των σταθµών χωρίς συγκρούσεις και χρησιµοποιείται για να εξυπηρετεί κυρίως συνεχές φορτίο. Στα χαµηλά φορτία η απόδοση µειώνεται αισθητά λόγω της σταθερής ανάθεσης των σχισµών στους σταθµούς ανεξάρτητα από το αν αυτοί µεταδίδουν ή όχι πακέτα. Στα υψηλά φορτία η απόδοση του TDMA είναι µέγιστη καθώς κάθε σταθµός µεταδίδει και από ένα πακέτο επιτυχώς -17-

18 2. Το ρωτόκολλο AHLAP (ad hoc learing automata Protocol) 2.1 Μανθάνοντα Αυτόµατα 2.2 Περιγραφή πρωτοκόλλου AHLAP 2.1 Μανθάνοντα Αυτόµατα Ο στόχος πολλών ευφυών συστηµάτων είναι να µπορούν εργαστούν αποτελεσµατικά σε περιβάλλοντα µε άγνωστα χαρακτηριστικά. Κατά συνέπεια, τέτοια συστήµατα πρέπει να κατέχουν τη δυνατότητα αποκτησης γνώσης σχετικά µε τη συµπεριφορά του περιβάλλοντος. Τα µανθάνοντα αυτόµατα είναι µηχανισµοί που µπορούν να εφαρµοστούν σε τέτοια προβλήµατα εκµάθησης περιβάλλοντος. Ένα µανθάνων αυτόµατο είναι ένα αυτόµατο που βελτιώνει την απόδοσή του µε την αλληλεπίδραση µε το τυχαίο περιβάλλον µέσα στο οποίο λειτουργεί. Ο στόχος ενός µανθάνοντος αυτοµάτου είναι να επιλέξει, µεταξύ ενός συνόλου ενεργειών, την βέλτιστη, έτσι ώστε η µέση «ποινή» που λαµβάνεται από το περιβάλλον να είναι ελάχιστη. (αυτό είναι ισοδύναµο µε τη µεγιστοποίηση της µέσης ανταµοιβής από το περιβάλλον). Αυτό προφανώς σηµαίνει ότι υπάρχει ένας µηχανισµός ανατροφοδότησης που ενηµερώνη το αυτόµατο για την ανάδραση του περιβάλλοντος σε µια συγκεκριµένη δράση. Η λειτουργία ενός µανθάνοντος αυτοµάτου αποτελεί µια ακολουθία επαναλαµβανόµενων κύκλων που οδηγούν τελικά στο στόχο της µέσης ελαχιστοποίησης της ποινής από το περιβάλλον. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, το αυτόµατο επιλέγει µια δράση και λαµβάνει την απάντηση από το περιβάλλον (είτε είναι ανταµοιβή, είτε είναι ποινή). Με βάση αυτήν την απάντηση και τη γνώση κέρδισε από τις προηγούµενες ενέργειες το µανθάνων αυτόµατο καθορίζει την επιλογή της επόµενης δράσης. Ένα µανθάνων αυτόµατο λειτουργεί µε την επιλογή σε κάθε διακριτό χρονικό σηµείο τιων ενεργειών που συµπεριλαµβάνονται σε ένα σύνολο ενεργειών a1,a2...,am. Έστω p(n)=p1 (n),p2 (n)...,pm (n) είναι ένα διάνυσµα της κατανοµής της πιθανότητας Μ ενεργειών τη χρονική στιγµή n. Προφανώς, sum(pi(n)) -1. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, κάποια δράση -18-

19 ai, 1< i < M επιλέγεται µε την πιθανότητα pi. Μετά την επιλογή και την εκτέλεση µιας δράσης ai στον κύκλο n, το τυχαίο περιβάλλον αποκρίνεται µε µια θετική ή αρνητική ανατροφοδότηση ci, η οποία χρησιµοποιείται προκειµένου να ενηµερωθεί το διάνυσµα της κατανοµής της πιθανότητας p. Αφότου τελειώσει η ενηµέρωση, το αυτόµατο επιλέγει την επόµενη δράση σύµφωνα µε την ενηµερωµένη κατανοµή πιθανότητας p(n+1). Ο πυρήνας της λειτουργίας του µανθάνοντος αυτοµάτου είναι ο αλγόριθµος ενηµέρωσης πιθανότητας, επίσης γνωστός ως ενισχυτική µάθηση. Ένα γενικό σχέδιο ενισχυτικής µάθησης έχει τη µορφή της Εξίσωσης (1). Μπορούµε να διαπιστώσουµε ότι µετά από την λήψη της ανατροφοδότησης για την επιλεγµένη δράση α(n) στον κύκλο n, η πιθανότητα pi (n+1) αλλάζει σύµφωνα µε τους συντελεστές στάθµισης (weighting coefficients) που απεικονίζουν την απόσταση της περιβαλλοντικής απάντησης β(ν) από την ολική ανταµοιβή (β(n)=0) µε την συνόλικη τιµωρία ((β(n)=1)): Οι συναρτήσεις g i και hi συνδέονται µε την ανταµοιβή και την ποινή για τη δράση i αντίστοιχα και η ποσότητα β(n) είναι οµαλοποιηµένο ένα µετρικό της περιβαλλοντικής απάντησης. Όσο χαµηλότερη η τιµή β(n) τόσο ευνοϊκότερη η απάντηση από το περιβάλλον. Ανάλογα µε την επιλογή των συναρτήσεων αυτων, διάφορα διαφορετικά σχέδια ενίσχυσης προκύπτουν: Το γραµµικό σχήµα Ανταµοιβής-Ποινής(L R-P ). Σε αυτήν την περίπτωση, οι g i και h i και γεια είναι γραµµικές συναρτήσεις των αντίστοιχων πιθανοτήτων ενέργειας p i, i µε 1 i M. Για την περίπτωση P-πρότυπο αυτόµατο L R-P (PL R-P ), µετά από την λήψη µιας ευνοϊκής απάντησης για τη δράση a i στον κύκλο n, η αντίστοιχη πιθανότητα p i (n+1) αυξάνεται. Μετά από την λήψη µιας δυσµενούς απάντησης, από την άλλη µερία, η πιθανότητα p i (n+1) µειώνεται. Για τα πρότυπα του Q και του S οι µεταβολές της πιθανότητας εµφανίζονται ως συνδυασµοί των g i και h i σταθµισµένες από 1-β(n) και β(n) αντίστοιχα, γιατί η ποσότητα β(n) παίρνει τιµές στο διαστήµα [ 0, 1 ]. Το γραµµικό σχήµα Ανταµοιβή-Α ραξίας (L R-Ι ). Σε αυτήν την περίπτωση, η g i είναι πάλι µια γραµµική συνάρτηση του p i και h i =0, i µε 1 i M. Για την περίπτωση P- -19-

20 πρότυπου αυτόµατου, µετά από την λήψη µιας ευνοϊκής απάντησης για τη δράση a i στον κύκλο n, η αντίστοιχη πιθανότητα p i (n+1) αυξάνεται. Μετά από την λήψη µιας δυσµενούς απάντησης ωστόσο, η πιθανότητα p i (n+1) παραµένει η ίδια. Για τα πρότυπα του Q και S, οι αλλαγές στην πιθανότητα εµφανίζονται σύµφωνα µε την g i ζυγισµένη µε 1-β(n), εφόσον η β(n) µπορεί να πάρει τις τιµές στο διάστηµα [ 0, 1 ]. Μη γραµµικά σχήµατα. Σε αυτήν την περίπτωση οι οι g i και h i είναι µη γραµµικές συναρτήσεις του p i. Τα µανθάνοντα αυτόµατα είναι χρήσιµα στα συστήµατα όπου η ελλιπής γνώση για το περιβάλλον στο οποίο εκείνα τα συστήµατα λειτουργούν υπάρχει. Στον τοµέα των στοιχείων τα µανθάνοντα αυτόµατα δικτύωσης έχουν εφαρµοστεί σε διάφορα προβλήµατα, συµπεριλαµβανοµένου του σχεδίου των µόνος-προσαρµοστικών πρωτοκόλλων της MAC, και για τις ενσύρµατες και ασύρµατες πλατφόρµες, οι οποίες λειτουργούν αποτελεσµατικά στα δίκτυα µε τους δυναµικούς φόρτους εργασίας [3, 8]. Αλλες εφαρµογές των µανθάνοντων αυτοµάτων περιλαµβάνουν τα προσαρµοστικά συστήµατα ραδιοφωνικής µετάδοσης [5] και τη δροµολόγηση τηλεφωνικής κυκλοφορίας [7]. 2.2 Περιγραφή ρωτοκόλλου AHLAP Σύµφωνα µε AHLAP, κάθε κινητός σταθµός είναι εξοπλισµένος µε ένα µανθάνον P αυτόµατο [ 8..9 και 10 ] που περιέχει την οµαλοποιηµένη πιθανότητα επιλογής Π i για κάθε κινητό σταθµό u i στο δίκτυο. Το πρωτόκολλο λειτουργεί ως εξής: Αφού ληφθεί η ανατροφοδότηση από το δίκτυο για την κατάσταση της µετάδοσης στην θυρίδα t, σε κάθε σταθµό u i οι βασικές πιθανότητες επιλογής για την θυρίδα t, p i (t) κανονικοποιούνται στη µονάδα µε τον ακόλουθο τρόπο: όπου το N είναι ο αριθµός κινητών σταθµών. Επιπλέον, στην αρχή της λειτουργίας του AHLAP, στο αυτόµατο κάθε σταθµού οι πιθανότητες επιλογής p i (0) είναι οι ίδιες. Κατά συνέπεια, στην αρχή της λειτουργίας του AHLAP ισχύει ότι Π i (0)=1/N, όπου το N είναι ο αριθµός των κινητών σταθµών. Στην αρχή της θυρίδας t, οι οµαλοποιηµένες πιθανότητες P i (t) χρησιµοποιούνται για να χορηγήσουν άδεια µετάδοσης ενός κινητού σταθµού. Σε κάθε χρονική θυρίδα t, η βασική πιθανότητα επιλογής P i (t) του επιλεγµένου για µετάδοση σταθµού u i ενηµερώνεται σύµφωνα µε την πληροφορία ανατροφοδότησης από το κοινό -20-

21 µέσο. Εάν ο σταθµός u i διεβίβασε ένα πακέτο κατά τη διάρκεια της θυρίδας t, η βασική πιθανότητα επιλογής του αυξάνεται. ιαφορετικά, εάν ο σταθµός u i ήταν ανενεργός, η πιθανότητα επιλογής του µειώνεται. Ο τρόπος της ενηµέρωσης της πιθανότητας γίνεται χρησιµοποιώντας ένα L R-P σχήµα: Για κάθε t, οι ποσότητες L,α (0,1) και P i (t) (α,1). Το L καθορίζει την ταχύτητα σύγκλισης του αυτόµατου. Η διαδικασία επιλογής του L απεικονίζει την παραχώρηση που πρέπει να κάνουµε σχετικά µε τα αντικρουόµενα οφέλη της ταχύτητας και της ακρίβειασ. Όσο χαµηλότερη η αξία του L τόσο ακριβέστερη η εκτίµηση που γίνεται από το αυτόµατο, ένα γεγονός εντούτοις που έρχεται σε αντιδιαστολή µε την ταχύτητα σύγκλισης. Ο ρόλος της παραµέτρου α είναι να ενισχυθεί το προσαρµοστικότητα του πρωτοκόλλου. Αυτό οφείλεταται στο γεγονός ότι όταν η πιθανότητα επιλογής ενός σταθµού πλησιάζει το µηδέν, ο σταθµός αυτός δεν επιλέγεται για µια µακριά χρονική περίοδο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, είναι πιθανό ότι ο σταθµός να µεταβάλλεται από κατάσταση αδράνειας σε κατάσταση πολλών µεταδόσεων (busy). εδοµένου ότι ο κινητός σταθµός δεν αποκτά την άδεια να µεταδόσει (και συνεπώς να αυξήσει την ταχύτητά του), το αυτόµατο δεν είναι σε θέση να καταλάβει τέτοιες µεταβάσεις. Κατά συνέπεια, η χρήση µιας µη µηδενικής τιµής για την παράµετρο α αποτρέπει τις πιθανότητες επιλογής των σταθµών να πάρουν τιµές κοντά στο 0 και αυξάνει το προσαρµοστικότητα του πρωτοκόλλου. εδοµένου ότι εξετάζουµε την περίπτωση ενός δικτύου κυκλοφορίας κατά ριπάς, όταν ο επιλεγµένος κινητός σταθµός έχει ένα πακέτο για µετάδοση, είναι πιθανό ότι ο ίδος σταθµός θα έχει επίσης πακέτα για µετάδοση στο εγγύς µέλλον. Κατά συνέπεια, η πιθανότητα επιλογής του πρέπει αυξάνεται. Αφ' ετέρου, εάν ο επιλεγµένος σταθµός δηλώσει (µε την απραξία του) ότι δεν έχει άλλα πακέτα για µετάδοση, η πιθανότητα επιλογής του µειώνεται, δεδοµένου ότι είναι πιθανό να παραµείνει σε αυτήν την κατάσταση στο εγγύς µέλλον. Το AHLAP ενηµερώνει τις πιθανότητες επιλογής των κινητών σταθµών σύµφωνα µε τις πληροφορίες ανατροφοδότησης από το δίκτυο. Αποδεικνύεται, [5] ότι η πιθανότητα επιλογής κάθε κινητού σταθµού συγκλίνει στην πιθανότητα ότι αυτός ο σταθµός δεν είναι αδρανής. Αυτό σηµαίνει ότι για οποιους δήποτε δύο κινητούς σταθµούς u i και u j, µε το d και το d j οι πιθανότητες να είναι έτοιµοι να µεταδόσουν αντίστοιχα, το AHLAP τείνει, ασυµπτωτικά, να ικανοποιήσει τη σχέση -21-

22 Σύµφωνα µε τα παραπάνω είναι σαφές ότι σε ένα περιβάλλον χωρίς θόρυβο, το AHLAP δεν επιδέχεται συγκρούσεις (collision-free). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όλοι οι σταθµοί χρησιµοποιούν το ίδιο πρωτόκολλο και, λόγω της φύση ραδιοφωνικής µετάδοσης του ασύρµατου µέσου, η ανατροφοδότηση από το δίκτυο είναι κοινή για όλους τους σταθµούς. Εποµένως, σε κάθε θυρίδα, όλοι οι σταθµοί επιλέγουν στον ίδιο σταθµό που χορηγείται την άδεια να διαβιβάσουν και το πρωτόκολλο είναι ελεύθερο συγκρούσεων παρά τη κατανεµηµένη φύση του. Παρόλα αυτά, παρουσία ενός περιβάλλοντος µε θόρυβο, είναι δυνατό ότι η ανατροφοδότηση από το δίκτυπ να µην είναι κοινή για όλους τους σταθµούς. Κατά συνέπεια, οι τιµές πιθανοτήτων επιλογής µπορούν να είναι διαφορετικές σε διάφορους κόµβους δικτύων και έτσι οι συγκρούσεις µπορούν να εµφανιστούν δεδοµένου ότι είναι πιθανό ότι δύο ή περισσότεροι σταθµοί να µην χορηγήσουν την άδεια να µετάδοσης στον ίδιο σταθµό. Σε αυτήν την περίπτωση, το κανάλι µπορεί να είναι σε µιας από τις ακόλουθες τρεις καταστάσεις: (α) επιτυχής µετάδοση, (β) σύγκρουση ή (γ) ανενεργό. Τα αποτελέσµατα προσοµοίωσης πρέπει να λαµβάνουν υπόψη τις ακόλουθες δυνατότητες: 1. Μια "επιτυχής" θυρίδα γίνεται αντιληπτή από έναν σταθµό σαν "ανενεργή", λόγω του ότι ο ένας σταθµός µπορεί να είναι εκτός εµβέλειας. -22-

23 2. Μια "επιτυχής" θυρίδα µπορεί να θεωρεθεί από έναν σταθµό ως "σύγκρουση", λόγω στα λαθών στα bit που επιβάλλονται από το ασύρµατο κανάλι. 3. Μια θυρίδα "σύγκρουσης" µπορεί να γίνει αντιληπτή από έναν σταθµό όπως "επιτυχής", λόγω του φαινοµένου power capturing. 4. Μια θυρίδα "σύγκρουσης" γίνεται αντιληπτή από έναν σταθµό σαν "ανενεργή", λόγω του γεγονότος ότι αυτός ο σταθµός είναι εκτός εµβέλειας. Προκειµένου να αποφευχθούν οι υπερβολικές συγκρούσεις, οι πίνακες της πιθανότητας µετάδοσης που χρησιµοποιούν τα αυτόµατα για να λειτουργήσουν δεν πρέπει να διαφέρουν πολύ. Τέτοιες διαφορές είναι πιθανό να εµφανιστούν λόγω της λανθασµένης φύσης της ανατροφοδότησης του ασύρµατου δικτύου. Για να λυθέι αυτό το πρόβληµα, για κάθε µετάδοση που εκτελείται από έναν σταθµό, το προτεινόµενο πρωτόκολλο αποθηκεύει στο πακέτο τις µεγαλύτερες Κ πιθανότητες και οι υπόλοιπες πιθανότητες παίρνουν αυτόµατα την τιµή α. Είναι προφανές ότι ακόµη και µε αυτό το µηχανισµό, οι συγκρούσεις θα εµφανιστούν πάλι λόγω της θορυβώδη ασύρµατη ανατροφοδότηση από το δίκτυο. Εντούτοις αυτή τη φορά η µετάδοση του πίνακα πιθανότητας µεταξύ των σταθµών δικτύων τους επιτρέπει να έχουν τις πιό κοινές τιµές για τις πιθανότητες και έτσι η λαµβανόµενη ανατροφοδότηση δικτύων θα είναι ακριβέστερη, και κατά συνέπεια οι συγκρούσεις θα είναι λιγότερες. Είναι προφανές ότι η επιλογή του Κ εξαρτάται από τον αριθµό σταθµών Ν. Εάν το δίκτυο περιλαµβάνει έναν µεγάλο αριθµό σταθµών, έπειτα µια επιλογή για το Κ µε το Κ<Ν θα περιορίσει το πλεόνασµα που προέρχεται από το πρωτόκολλο. Στον σχήµα που ακολουθεί περιγράφουµε τον αλγόριθµο AHLAP σε κάθε σταθµό: for ;; normalize_choice_probabilities(p); transmitter=select_transmiting_station(); if (transmitter==i) if (queue_size(i)>0) transmit_data_packet(); increase(p i ); wait_for_ack(); else remain_silent(); decrease(p i ); else -23-

24 feeeback=get_network_feedback(); if ((feedback==data_packet) OR (feedback==ack_packet)) copy_k_largest_choice_probabilities(); increase(p i ); else if (feedback==idle_slot) decrease(p i ); if ((feedback==data_packet) AND (destination_station(feedback)==i)) transmit_ack(); Αλγόριθµος AHLAP ανά σταθµό -24-

25 3. Προσοµοίωση 3.1. Τα Είδη Μοντέλων Προσοµοίωσης. Έχοντας ένα µαθηµατικό µοντέλο που πρέπει να µελετήσουµε µε προσοµοίωση (δηλαδή ένα Μοντέλο Προσοµοίωσης), θα πρέπει να αναζητήσουµε κατάλληλα εργαλεία για το σκοπό αυτό. Στην προσπάθεια αυτή, είναι χρήσιµο να ταξινοµήσουµε τα Μοντέλα Προσοµοίωσης µε βάση τέσσερις διαφορετικές έννοιες: 1. Στατικά ή υναµικά Μοντέλα Προσοµοίωσης: Ένα στατικό µοντέλο προσοµοίωσης, αναπαριστά ένα σύστηµα σε µία συγκεκριµένη χρονική στιγµή, ή αναπαριστά ένα σύστηµα στο οποίο ο χρόνος δεν έχει σηµασία. Αντίθετα, ένα δυναµικό µοντέλο προσοµοίωσης αναπαριστά ένα σύστηµα, όπως αυτό εξελίσσεται µε την πάροδο του χρόνου. 2. Ντετερµινιστικά ή Στοχαστικά Μοντέλα Προσοµοίωσης: Αν ένα µοντέλο προσοµοίωσης δεν περιλαµβάνει πιθανοτικά (δηλαδή "τυχαία") τµήµατα, ονοµάζεται ντετερµινιστικό. Για παράδειγµα, ένα πολύπλοκο σύστηµα διαφορικών εξισώσεων που περιγράφει µία χηµική αντίδραση, µπορεί να είναι ένα τέτοιο µοντέλο. Στα ντετερµινιστικά µοντέλα, η έξοδος είναι καθορισµένη, µε δεδοµένο το σύνολο των ποσοτήτων και σχέσεων εισόδου του µοντέλου. Όµως, πολλά συστήµατα πρέπει να χρησιµοποιήσουν στοχαστικά µοντέλα προσοµοίωσης, δηλαδή µοντέλα που θα έχουν τουλάχιστον ορισµένα τµήµατα µε "τυχαία" είσοδο. Τα περισσότερα υπολογιστικά συστήµατα, που βασίζονται στα συστήµατα αναµονής (queueing systems), χρησιµοποιούν στοχαστικά µοντέλα προσοµοίωσης. 3. Αυτο-οδηγούµενα ή Ιχνο-οδηγούµενα Μοντέλα Προσοµοίωσης: Σε ένα αυτόοδηγούµενο (selfdriven) µοντέλο, υπάρχει µία εσωτερική πηγή τυχαίων αριθµών. Οι τυχαίοι αριθµοί οδηγούν τα τµήµατα του µοντέλου, δηλαδή χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό των στιγµών εµφανίσεων των γεγονότων του συστήµατος. Το βασικό χαρακτηριστικό του αυτοοδηγούµενου µοντέλου είναι ότι αποτελεί ένα αυτάρκες µοντέλο το οποίο δεν χρειάζεται εξωτερικές εισόδους (inputs) για να λειτουργήσει. Αντίθετα, ένα ιχνο-οδηγούµενο (tracedriven) µοντέλο καθοδηγείται από ακολουθίες εισόδου που προέρχονται από δεδοµένα (trace data) που έχουν δηµιουργηθεί από τη λειτουργία ενός πραγµατικού συστήµατος. Τέτοια δεδοµένα µπορούν να παραχθούν στα περισσότερα υπολογιστικά συστήµατα που διαθέτουν ενσωµατωµένα προγράµµατα ιχνηλάτησης (tracing programs) που παρακολουθούν και καταγράφουν τις δραστηριότητες του συστήµατος. Τα ιχνο-οδηγούµενα µοντέλα έχουν ορισµένα πλεονεκτήµατα, όπως το γεγονός ότι αποφεύγονται οι δυσκολίες της πιθανοτικής ανάλυσης που χρειάζεται για τη χρήση κατανοµών στην περιγραφή των εισόδων του µοντέλου και επίσης το γεγονός ότι τα µοντέλα αυτά είναι εύκολο να -25-

26 επιβεβαιωθούν. Το πρόβληµα µε τα ιχνο-οδηγούµενα µοντέλα είναι το µικρό εύρος εφαρµογών που µπορούν να αντιµετωπίσουν. Οι εφαρµογές αυτές πρακτικά περιορίζονται σε υπολογιστικά συστήµατα και µάλιστα µόνο για τη µελέτη µετατροπών σε ένα σύστηµα που ήδη λειτουργεί. 4. Συνεχή ή ιακριτά Μοντέλα Προσοµοίωσης: Οι ορισµοί των συνεχών και διακριτών µοντέλων προσοµοίωσης, είναι ανάλογοι µε τους ορισµούς των συνεχών και διακριτών συστηµάτων που αναφέρθηκαν στην παράγραφο 1.4. Πάντως, πρέπει να σηµειωθεί ότι ένα διακριτό µοντέλο δεν χρησιµοποιείται µόνο για την αναπαράσταση ενός διακριτού συστήµατος και ένα διακριτό σύστηµα δεν αναπαριστάται µόνο από ένα διακριτό µοντέλο προσοµοίωσης. Η απόφαση για τη χρήση ενός διακριτού ή ενός συνεχούς µοντέλου για ένα συγκεκριµένο σύστηµα, εξαρτάται από τους ιδιαίτερους στόχους της µελέτης. Για παράδειγµα, ένα µοντέλο της ροής πακέτων δεδοµένων σε ένα WAN, θα είναι διακριτό εάν µας ενδιαφέρουν τα χαρακτηριστικά και η κίνηση των επιµέρους πακέτων και κατά συνέπεια των επιµέρους χρηστών. Αντίθετα, αν µας ενδιαφέρει µόνο η συνολική κίνηση, η ροή των πακέτων θα µπορούσε ίσως να περιγραφεί µε διαφορικές εξισώσεις σε ένα συνεχές µοντέλο Ο Μηχανισµός Εξέλιξης του Χρόνου. Λόγω του δυναµικού χαρακτήρα των µοντέλων προσοµοίωσης διακριτών γεγονότων, πρέπει να έχουµε τη δυνατότητα αποθήκευσης της τρέχουσας τιµής του προσοµοιωµένου χρόνου, ενώ χρειαζόµαστε και ένα µηχανισµό αύξησής του από µία τιµή σε µία άλλη. Η µεταβλητή του µοντέλου προσοµοίωσης που µας δίνει την τρέχουσα τιµή του χρόνου, ονοµάζεται ρολόι ροσοµοίωσης (simulation clock). Η µονάδα χρόνου που χρησιµοποιεί το ρολόι είναι συνήθως η ίδια µε αυτή που χρησιµοποιούν οι παράµετροι εισόδου, ενώ γενικά δεν υπάρχει σχέση του χρόνου που καταγράφει το ρολόι, µε το χρόνο που απαιτείται για την εκτέλεση του προσοµοιωτή στον υπολογιστή. Ιστορικά έχουν επικρατήσει δύο βασικές µέθοδοι για την εξέλιξη του ρολογιού προσοµοίωσης: Η Εξέλιξη µε βάση το Χρόνο του Ε οµένου Γεγονότος (next-event time advance) και η Εξέλιξη Σταθερής Αύξησης του Χρόνου (fixed-increment time advance). Θα χρησιµοποιήσουµε την πρώτη µέθοδο διότι είναι πιο διαδεδοµένη και διότι η δεύτερη µπορεί να θεωρηθεί ειδική περίπτωση της πρώτης. Στη µέθοδο εξέλιξης µε βάση το χρόνο του ε οµένου γεγονότος, το ρολόι προσοµοίωσης αρχικοποιείται στο µηδέν και καθορίζονται οι στιγµές εµφάνισης των µελλοντικών γεγονότων. Το ρολόι τότε αυξάνει στο χρόνο εµφάνισης του πιο κοντινού στο µέλλον, από τα γεγονότα αυτά. Τη στιγµή αυτή η κατάσταση του συστήµατος ενηµερώνεται ώστε να πάρει υπ όψη της το γεγονός που εµφανίστηκε, ενώ -26-

27 ενηµερώνεται επίσης η γνώση µας για τις χρονικές στιγµές εµφάνισης των µελλοντικών γεγονότων. Στη συνέχεια, το ρολόι αυξάνει ώστε να δείχνει τη στιγµή εµφάνισης του νέου πιο κοντινού στο µέλλον γεγονότος, η κατάσταση του συστήµατος ενηµερώνεται, καθορίζονται οι χρονικές στιγµές εµφάνισης των µελλοντικών γεγονότων κ.ο.κ. Η διαδικασία αυτή εξέλιξης του ρολογιού προσοµοίωσης από το ένα γεγονός στο άλλο, συνεχίζεται µέχρι να ικανοποιηθεί κάποια προκαθορισµένη συνθήκη τερµατισµού της προσοµοίωσης. Αφού όλες οι αλλαγές κατάστασης γίνονται µόνο στις χρονικές στιγµές εµφάνισης των γεγονότων, οι ενδιάµεσες ανενεργοί περίοδοι δεν λαµβάνονται υπ όψη και το ρολόι µετακινείται αυτόµατα στη στιγµή εµφάνισης του εποµένου γεγονότος. Όσον δε αφορά τη µέθοδο εξέλιξης σταθερής αύξησης του χρόνου, το ρολόι προσοµοίωσης εξελίσσεται µε σταθερές αυξήσεις ακριβώς t µονάδων χρόνου κάθε φορά. Μετά από κάθε ενηµέρωση του ρολογιού, γίνεται ένας έλεγχος για να εξακριβωθεί εάν θα έπρεπε να έχουν εµφανισθεί κάποια γεγονότα κατά το προηγούµενο χρονικό διάστηµα t. Αν εµφανίσθηκαν γεγονότα στο διάστηµα αυτό, θεωρούµε ότι αυτά εµφανίζονται στο τέλος του χρονικού διαστήµατος και η κατάσταση του συστήµατος ενηµερώνεται κατάλληλα. -27-

28 Σχήµα: ιάγραµµα ροής για την εξέλιξη µε βάση το χρόνο του ε όµενου γεγονότος -28-

29 4. Περιβάλλον αράµετροι ροσοµοίωσης Για να προσοµοιώσουµε το πρωτόκολλο AHLAP χρησιµοποιήσαµε µια time driven στρατηγική εφόσον υπάρχουν ενέργειες που θα επαναλαµβάνονται σε κάθε χρονική θυρίδα. Έτσι λοιπόν ο βασικός κορµός της προσοµοίωσης είναι ένα loop µε µεταβλητή τον χρόνο. Ο χρόνος αλλάζει σε διακριτές θυρίδες και αναπαρίσταται από έναν ακέραιο αριθµό. Ο κάθε κόµβος θεωρείται ότι είναι µια δοµή, που περιέχει τα µανθάνοντα αυτόµατατα, µαζί µε µια ουρά πακέτων που φτάνουν. Επίσης ο κάθε κόµβος περιέχει έναν πίνακα µε τις πιθανότητες όλων των άλλων κόµβων και έναν πίνακα που αποθηκεύει το πώς αντιλήφθηκε το κανάλι ο συγκεκριµένος κόµβος: typedef struct node int id; int seqno; float P[N]; // Choice probabilities float PI[N]; // Normalized choice probabilities int channel; // perceived channel at the end o t- slot int is_transmiting; int real_is_transmiting; int num_packets_to_transmit; int state; float p[2][2]; float Z; QUEUE queue; PACKET to_transmit; PACKET just_received; NODE; // P00 P01 // P10 P11 Για κάθε κόµβο επίσης ορίζονται δυο συναρτήσεις-λειτουργίες. Η µία αποφασίζει ποιος θα µεταδόσει ανάλογα µε τις πιθανότητες µετάδοσης void select_transmiting_station() και µια που αποφασίζει αν θα έχει πακέτο να µεταδόσει, ανάλογα µε τις πιθανότητες άφιξης πακέτων και τον αλγόριθµο µετάδοσης κατά ριπάς (bursty traffic). void packet_arrival_at_station() Η µετάδοση κατά ριπάς προσοµοιώθηκε µε τον ακόλουθο τρόπο: Καθορίζουµε ως «χρονική θυρίδα» τη χρονική διάρκεια που απαιτείται για ένα πακέτο στοιχείων που µεταδίδεται µέσω της ασύρµατης σύνδεσης. Κάθε κόµβος µπορεί να είναι στο ένα µια τις δύο καταστάσεις, S0 και S1. Όταν ένας κόµβος είναι στην κατάσταση S0 δεν έχει καµία άφιξη πακέτων. Όταν ένας κόµβος είναι στην κατάσταση S1, κάθε φορά που θυρίδα, έχει µια -29-