ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΕ ΤΙΤΛΟ Ο. Σ. Υ. Λ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΕ ΤΙΤΛΟ Ο. Σ. Υ. Λ ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΕΡΓΟ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΩΝ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ. ΓΚΑΜΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Α.Μ. 98 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ε. Βαρβαρίγος, Καθηγητής ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Ε. Βαρβαρίγος, Καθηγητής Χ. Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής Σ. Νικολετσέας, Λέκτορας ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2006

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΕ ΤΙΤΛΟ Ο. Σ. Υ. Λ ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΕΡΓΟ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΩΝ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΉ...10 2. ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΊΚΤΥΑ....11 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...11 2.2 ΚΑΤΗΓΟΡΊΕΣ ΑΣΥΡΜΆΤΩΝ AD HOC ΔΙΚΤΎΩΝ...12 2.2.1 Δίκτυα σώματος...12 2.2.2 Προσωπικά Δίκτυα...13 2.2.3 Ασύρματα τοπικά δίκτυα...13 2.3 ΙΕΕΕ 802.11 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ...15 2.3.1 Η ΣΤΟΙΒΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ Τησ IEEE 802.11 τεχνολογιασ...15 2.3.1.1 Το φυσικό επίπεδο....16 2.3.1.2 Το επίπεδο MAC...17 2.3.1.2.1 Αξιόπιστη παραλαβή δεδομένων...17 2.3.1.2.2 Έλεγχος πρόσβασης...18 3. ΕΝΕΡΓΟ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ 24 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...24 3.2 ΕΝΕΡΓΌ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΆ ΠΡΩΤΌΚΟΛΛΑ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΡΟΣΠΈΛΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΈΣΟ...25 3.2.1 Eνεργό-αποδοτικά MAC πρωτόκολλα μετάβασης των σταθμών σε ανενεργή κατάσταση. 25 3.2.1.1 Το πρωτόκολλο PAMAS....26 3.2.1.2 Πρωτόκολλο στηριζόμενο στον μεταγωγέα απομακρυσμένης ενεργοποίησης...29 3.2.1.3 Το πρωτόκολλο GAF....33 3.2.2 Ενεργό-αποδοτικά MAC πρωτόκολλα ελέγχου της ισχύος....35 3.2.2.1 Το πρωτόκολλο PCDC...36 3.2.2.2 Το πρωτόκολλο PCMA...39 3.2.2.3 Το πρωτόκολλο PCM...43 3.3 ΕΝΕΡΓΌ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΆ ΠΡΩΤΌΚΟΛΛΑ ΕΠΙΠΈΔΟΥ ΔΙΚΤΎΟΥ...45 3.3.1 Unicast μεταδόσεις δεδομένων...46 3.3.2 Multicast/Broadcast μεταδόσεις δεδομένων...47 3.4 ΕΝΕΡΓΌ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΆ ΠΡΩΤΌΚΟΛΛΑ ΥΨΗΛΌΤΕΡΩΝ ΕΠΙΠΈΔΩΝ...47 3.4.1 Επίπεδο μεταφορασ...47 3.4.2 Επίπεδο εφαρμογησ / Λειτουργικο συστημα...48 4. MAC ΠΡΩΤΌΚΟΛΛΟ ΕΛΈΓΧΟΥ ΤΗΣ ΙΣΧΎΟΣ ΜΕΤΆΔΟΣΗΣ ΣΤΗΡΙΖΌΜΕΝΟ ΣΤΗΝ ΑΡΧΉ ΤΗΣ ΑΡΓΉΣ ΕΚΚΊΝΗΣΗΣ...50 4.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΉ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΌΛΛΟΥ....50 4.1.1 Το χαρακτηριστικό της αργής εκκίνησης στο SSPC πρωτόκολλο...53 4.1.2 Ο CTS μηχανισμός του SSPC πρωτοκόλλου...56 4.2 ΣΎΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑΣ ΤΟΥ SSPC ΠΡΩΤΟΚΌΛΛΟΥ ΜΕ ΤΑ ΥΠΌΛΟΙΠΑ ΠΡΩΤΌΚΟΛΛΑ...62 5. ΑΞΙΟΛΌΓΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΌΔΟΣΗΣ ΤΟΥ SSPC ΠΡΩΤΟΚΌΛΛΟΥ...63 5.1 ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΞΟΜΟΊΩΣΗΣ...63 5.2 Ο ΕΞΟΜΟΙΩΤΉΣ NS2...65 5.3 ΑΠΟΤΕΛΈΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΆΤΩΝ....66 6. ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΉ ΕΡΓΑΣΊΑ...70 ΑΝΑΦΟΡΕΣ...71 3

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1 Κατηγοριοποίηση των ad hoc δικτύων.... 12 Σχήμα 2 Αρχιτεκτονική υποδομής... 14 Σχήμα 3 - Ad hoc αρχιτεκτονική... 14 Σχήμα 4 - Στοίβα πρωτοκόλλων της 80211 αρχιτεκτονικής... 15 Σχήμα 5 - DCF και PCF λειτουργία... 19 Σχήμα 6 - Λογική του ελέγχου πρόσβασης στο μέσο... 20 Σχήμα 7 - Βασική μέθοδος πρόσβασης... 22 Σχήμα 8 - Δομή του PCF υπέρ-πλαισίου... 23 Σχήμα 9 - Περιγραφή του κυκλώματος της συσκευής επικοινωνίας... 30 Σχήμα 10 - Διάγραμμα του σχήματος διαχείρισης ισχύος... 32 Σχήμα 11 Το πρόβλημα της ισοδυναμίας σταθμών.... 33 Σχήμα 12 Παράδειγμα μιας εικονικής τοπολογίας πλέγματος... 34 Σχήμα 13 - Διάγραμμα μετάβασης του GAF πρωτοκόλλου... 35 Σχήμα 14 - Βήματα λειτουργίας του PCMA πρωτοκόλλου... 43 Σχήμα 15 - Στο PCM πρωτόκολλο αυξάνεται περιοδικά η ισχύς μετάδοσης κατά την διάρκεια των μεταδόσεων των δεδομένων για να ενημερωθούν οι σταθμοί που βρίσκονται στην ζώνη ανίχνευσης φέροντος για τις τρέχουσες μεταδόσεις.... 44 Σχήμα 16 - Ένα πιθανό σενάριο στο οποίο ο σταθμός F ενδέχεται να τεθεί σύντομα εκτός λειτουργίας εξαιτίας υψηλής κατανάλωσης ενέργειας... 45 Σχήμα 17 Η προσέγγιση του IEEE 802.11 πρωτοκόλλου... 51 Σχήμα 18 - Προτεινόμενο σχήμα ελέγχου της ισχύος. Η μετάδοση μεταξύ των σταθμών C και D μπορεί να λάβει χώρα, παρόλο που οι δύο σταθμοί έχουν λάβει ένα CTS πλαίσιο από τον σταθμό B... 52 Σχήμα 19 Προτεινόμενο πρωτόκολλο. Η μορφή του RTS πλαισίου.... 53 Σχήμα 20 IEEE 802.11 πρωτόκολλο. Η μορφή του RTS πλαισίου... 53 Σχήμα 21 IEEE 802.11 πρωτόκολλο. Η μορφή του CTS πλαισίου... 57 Σχήμα 22 Προτεινόμενο πρωτόκολλο. Η μορφή του CTS πλαισίου... 57 Σχήμα 23 - Χρήση του CTS πλαισίου.... 60 Σχήμα 24 Το πρόβλημα εκκένωσης πακέτων στο δίκτυο... 64 Σχήμα 25 Μέση καταναλώμενη ενέργεια στο τέλος του προβλήματος εκκένωσης των πακέτων, για την περίπτωση της στατικής ισχύος και της ρυθμιζόμενης ισχύος. Τα αποτελέσματα αναφέρονται στην περίπτωση που κάθε σταθμός έχει πρακτικά άπειρη ενέργεια.... 66 Σχήμα 26 Διασπορά της καταναλώμενης ενέργειας σε κάθε σταθμό, για την περίπτωση της στατικής ισχύος και της ρυθμιζόμενης ισχύος... 67 Σχήμα 27 Μέση καθυστέρηση για την παραλαβή των πακέτων από κάθε σταθμό για την περίπτωση της στατικής και της ρυθμιζόμενης ισχύος.... 67 Σχήμα 28 - Throughput του δικτύου για την περίπτωση της στατικής και της ρυθμιζόμενης ισχύος... 68 Σχήμα 29 Πλήθος των συγκρούσεων των RTS πλαισίων για την περίπτωση της στατικής και ρυθμιζόμενης ισχύος.... 69 Σχήμα 30 Λόγος απεσταλμένων προς ληφθέντα πακέτα για την περίπτωση της στατικής και της ρυθμιζόμενης ισχύος... 69 4

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1 Ισχύ σε διάφορες καταστάσης λειτουργίας της Lucent ORiNOCO WLAN PC κάρτας... 24 Πίνακας 2 - Περιγραφή του πίνακα παρεμβολών που ο πίνακας B διατηρεί... 59 5

ΕΠΙΤΕΛΙΚΗ ΣΥΝΟΨΗ Το ζήτημα της κατανάλωσης ενέργειας σε ασύρματα ad hoc δίκτυα αποτελεί ένα ερευνητικό πεδίο το οποίο έχει λάβει ιδιαίτερη προσοχή τα τελευταία χρόνια. Οι σταθμοί σε ένα ασύρματο ad hoc δίκτυο λειτουργούν επί το πλείστον με μπαταρίες με αποτέλεσμα η εξοικονόμηση ενέργειας στο δίκτυο να αποτελεί πρώτιστο στόχο για την βιωσιμότητα των σταθμών του δικτύου και την αξιόπιστη παραλαβή των πακέτων δεδομένων από τους παραλήπτες τους. Μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί διάφορα ενεργό-αποδοτικά πρωτόκολλα τα οποία μπορούν να υιοθετηθούν σε ένα ασύρματο ad hoc δίκτυo. Τα πρωτόκολλα αυτά λειτουργούν σε διαφορετικό επίπεδο το καθένα (ελέγχου πρόσβασης στο μέσο, δικτύου, υψηλότερα). Η παρούσα εργασία συντάχθηκε με σκοπό: την μελέτη αυτών των ενεργό-αποδοτικών πρωτοκόλλων που μπορούν να υιοθετηθούν σε ασύρματα ad hoc δίκτυα, την καταγραφή των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών κάθε πρωτοκόλλου καθώς και την ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου ελέγχου της ισχύος μετάδοσης σε ασύρματα ad hoc δίκτυα με κύριο στόχο την περαιτέρω μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο με παράλληλη αύξηση του throughput του δικτύου. Συγκεκριμένα, στην παρούσα μελέτη, αναλύονται και παρουσιάζονται τα ακόλουθα ζητήματα: Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι στόχοι της παρούσας εργασίας καθώς και η συνεισφορά της στο ζήτημα της κατανάλωσης ενέργειας στα ασύρματα ad hoc δίκτυα. Στο Κεφάλαιο 2 αρχικά πραγματοποιείται μία εισαγωγή στην αρχιτεκτονική των ασυρμάτων ad hoc δικτύων και ακολούθως παρουσιάζονται οι διάφορες κατηγορίες των ασυρμάτων ad hoc δικτύων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην 802.11 τεχνολογία και πρωτόκολλα. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται υπάρχοντα ενεργό-αποδοτικά πρωτόκολλα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ασύρματα ad hoc δίκτυα. Τα πρωτόκολλα αυτά παρουσιάζονται ταξινομημένα ανάλογα με το επίπεδο στο οποίο το καθένα λειτουργεί (επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο, επίπεδο δικτύου, υψηλότερα επίπεδα). Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται το προτεινόμενο MAC πρωτόκολλο ελέγχου της ισχύος μετάδοσης το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ασύρματα ad hoc δίκτυα. Παρουσιάζεται η λειτουργία του πρωτοκόλλου, περιγράφοντας το χαρακτηριστικό της αργής εκκίνησης που το προτεινόμενο πρωτόκολλο υιοθετεί για την μετάδοση των RTS πλαισίων, καθώς και τον CTS μηχανισμό που χρησιμοποιείται. Στο τέλος του κεφαλαίου, πραγματοποιείται μια σύγκριση της λειτουργίας του προτεινόμενου ενεργό-αποδοτικού πρωτοκόλλου με υπάρχοντα πρωτόκολλα MAC επιπέδου που παρουσιάστηκαν στο Κεφάλαιο 3. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται αξιολόγηση της απόδοσης του προτεινόμενου πρωτοκόλλου. Η αξιολόγηση της απόδοσης του προτεινόμενου πρωτοκόλλου πραγματοποιείται μέσω της εκτέλεσης πειραμάτων με την βοήθεια του εξομειωτή δικτύων network simulator 2. Η αξιολόγηση του προτεινόμενου πρωτοκόλλου πραγματοποιείται ως προς διάφορες παραμέτρους κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο, διασπορά της καταναλόμενης ενέργειας, μέση καθυστέρηση παραλαβής των πακέτων, throughput του δικτύου, πλήθος συγκρούσεων RTS πλαισίων, λόγος ληφθέντων προς απεσταλμένα πακέτα 6

έχοντας ως βάση το πρόβλημα της εκκένωσης των πακέτων στο δίκτυο και για την περίπτωση δύο διαφορετικών προσσεγίσεων. Μία στην οποία κάθε σταθμός χρησιμοποιεί στατική ισχύ για τις μεταδόσεις του και μία στην οποία κάθε σταθμός ρυθμίζει την ισχύ μετάδοσής του στην ελάχιστη απαιτούμενη τιμή για την ορθή παραλαβή των πακέτων από τους παραλήπτες τους. Τέλος στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα εργασία καθώς και διάφορα ανοιχτά ζητήματα προς περαιτέρω έρευνα. Η διπλωματική αυτή εργασία υποστηρίζεται από την παρακάτω δημοσίευση σε διεθνές συνέδριο: V. Gkamas and E. Varvarigos, A Slow Start Power Control MAC Protocol for Mobile Ad Hoc Networks, appeared in 17th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC'06). καθώς και από την υπό υποβολή δημοσίευση: E. Varvarigos, V. Gkamas, Karagiorgas Nikolaos, The Slow Start Power Controlled MAC Protocol for mobile ad hoc networks and its performace analysis, submitted in Wireless Networks journal, Springer Netherlands. Κλείνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας Ε. Βαρβαρίγο, Καθηγητή για την καθοδήγηση και αμέριστη βοήθειά του στην πραγματοποίηση της εργασίας, καθώς και τους Χ. Μπούρα, Αναπληρωτή Καθηγητή και Σ. Νικολετσέα, Λέκτορα μέλη της τριμελής επιτροπής παρουσίασης και αξιολόγησης της διπλωματικής εργασίας. 7

EXECUTIVE SUMMARY Power consumption at wireless ad hoc networks has received last years much attention. Mobile stations in a wireless ad hoc network operate in the most cases with batteries, so power conservation at the network is a major objective for the viability of the mobile stations of the network and the reliable delivery of packets to their destinations. Till today, various power-aware protocols have been developed for wireless ad hoc networks. Each one of these protocols operates at different layer (medium access control, network, higher layers). The main objectives of this study are: The review of the power-aware protocols that can be used at wireless ad hoc networks, The detection of the special characteristics of each protocol, and The development of a new power control MAC-layer protocol for wireless ad hoc networks. The main objective of this new protocol is the farther reduction of the power consumption in the network, with parallel increment at network throughput. More specifically speaking, in this study, the following points are represented and analyzed: In Chapter 1 the various objectives of this study are represented as the contribution of the study in point of power consumption at wireless ad hoc networks In Chapter 2, initially an introduction at the architecture of wireless ad hoc networks is performed, while afterwards the various categories of wireless ad hoc networks are represented, by emphasizing the 802.11 technology and protocols. In Chapter 3 various energy-aware protocols for wireless ad hoc networks are represented. These protocols are represented categorized by the layer at which every one operates (medium access control layer, network layer and higher layers). In Chapter 4 the proposed power control MAC protocol for mobile ad hoc networks is represented. The operation of the protocol is represented, by describing the slow start mechanism used for RTS frames transmissions, and the CTS mechanism used. At the end of Chapter 4, a comparison between the operation of the proposed power-aware protocol and previous MAC-layer power aware protocols is performed. In Chapter 5, the performance evaluation of the proposed protocol is performed. The performance evaluation of the proposed protocol was done via execution of experiments with network simulator 2. The performance parameters that were measured are: the power consumption in the network, the variance of the consumed energy, the average delay for packets delivery, the network throughput, the number of RTS frames collisions and the received-to-sent packets ratio. The performance of the proposed protocol was evaluated in the setting of the evacuation problem and for two different approaches. One in which every node uses static power for its transmissions and one in which every node adjusts its transmission power at the minimum required value for coherent reception of the packets from the recipients. Finally in Chapter 6 are represented the results that are derived from this study and various open issues for further investigation. 8

This study also was been supported by the following publication in a well-known international conference: V. Gkamas and E. Varvarigos, A Slow Start Power Control MAC Protocol for Mobile Ad Hoc Networks, appeared in 17th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC'06). as well as by the submitted paper: E. Varvarigos, V. Gkamas, Karagiorgas Nikolaos The Slow Start Power Controlled MAC Protocol for mobile ad hoc networks and its performace analysis, submitted in Wireless Networks journal, Springer Netherlands. 9

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η επισκόπηση υφιστάμενων ενεργόαποδοτικών πρωτοκόλλων ασυρμάτων ad hoc δικτύων, δίνοντας ιδιαίτερα έμφαση σε πρωτόκολλα επιπέδου ελέγχου πρόσβασης στο μέσο, καθώς και η ανάπτυξη ενός νέου ενεργό-αποδοτικού πρωτοκόλλου ελέγχου της ισχύος μετάδοσης, επιπέδου ελέγχου πρόσβασης στο μέσο. Οι επιμέρους στόχοι της μελέτης συνοψίζονται ως εξής: Επισκόπηση των υφιστάμενων ενεργό-αποδοτικών πρωτοκόλλων για ασύρματα ad hoc δίκτυα. Ταξινόμηση των υπαρχόντων πρωτοκόλλων ανάλογα με το επίπεδο στο οποίο το καθένα λειτουργεί. Καταγραφή των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών κάθε πρωτοκόλλου. Ανάπτυξη ενός νεόυ ενεργό-αποδοτικού πρωτοκόλλου ελέγχου της ισχύος μετάδοσης επιπέδου ελέγχου πρόσβασης στο μέσο και παρουσίαση της λειτουργίας του. Σύγκριση της λειτουργίας του προτεινόμενου πρωτοκόλλου με τα υπόλοιπα υφιστάμενα πρωτόκολλα. Αξιολόγηση της απόδοσης του προτεινόμενου πρωτοκόλλου. Η συνεισφορά της παρούσας εργασίας στο πεδίο της κατανάλωσης ενέργειας σε ασύρματα ad hoc δίκτυα επιτυγχάνεται μέσω της ανάπτυξης ενός νέου ενεργόαποδοτικού πρωτοκόλλου ελέγχου της ισχύος μετάδοσης επιπέδου ελέγχου πρόσβασης στο μέσο το οποίο όπως προκύπτει και από τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στο δίκτυο και υψηλότερο throughput του δικτύου. 10

2. ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ. Ένα ασύρματο ad hoc δίκτυο αποτελεί ένα σύστημα από ασύρματους κινητούς σταθμούς οι οποίοι μπορούν ελεύθερα και δυναμικά να οργανωθούν σε τυχαίες και προσωρινές δικτυακές τοπολογίες, επιτρέποντας ανθρώπους και συσκευές να λειτουργούν παρόμοια σε περιοχές όπου δεν υπάρχει προεγκατεστημένη κάποια τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Το παρών κεφάλαιο παρουσιάζει τα βασικά χαρακτηριστικά ενός ασυρμάτου ad hoc δικτύου καθώς και τα πρωτόκολλα τα οποία διέπουν αυτού του τύπου τα ασύρματα δίκτυα. Αρχικά παρουσιάζονται οι διάφορες κατηγορίες των ασύρματων τεχνολογιών ενός βήματος (single-hop). Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι κατηγορίες των δικτύων σώματος (body networks), προσωπικών δικτύων (personal networks) και ασυρμάτων τοπικών δικτύων (local area wireless networks). Ακολούθως περιγράφεται η αρχιτεκτονική του ΙΕΕΕ 802.11 πρωτοκόλλου μιας και αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο για την κατασκευή μικρής κλίμακας ασυρμάτων ad hoc δικτύων. Το IEEE 802.11 πρωτόκολλο αποτελεί μία καλή πλατφόρμα για την υλοποίση ασυρμάτων ad hoc δικτύων ενός βήματος εξαιτίας της απλότητάς του. Εκμεταλλευόμενοι την IEEE 802.11 τεχνολογία, είναι δυνατή η υλοποίση ασύρματων ad hoc δικτύων πολλών βημάτων (multi-hop) τα οποία καλύπτουν περιοχές μερικών τετραγωνικών χιλιομέτρων. Ωστόσο αξίζει να σημειώθει και η ύπαρξη του πρωτοκόλλου Bluetooth για την υλοποίηση ασύρματων ad hoc δικτύων. Το πρωτόκολλο αυτό δεν θα εξεταστεί μιας και η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην μελέτη σχημάτων ελέχγου της ισχύος μετάδοσης σε ασύρματα ad hoc δίκτυα τα οποία υιοθετούν το ΙΕΕΕ 802.11 πρωτόκολλο επικοινωνίας. 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια η εξέλιξη των κινητών υπολογιστικών συσκευών (π.χ φορητοί υπολογιστές, ψηφιακές συσκευές χειρός, PDAs) έχει οδηγήσει σε μία επαναστατική αλλαγή στον κόσμο των υπολογιστών. Παρατηρείται μια συνεχής μετακίνηση από την εποχή των προσωπικών υπολογιστών (μία υπολογιστική συσκευή ανά άτομο) σε μια εποχή όπου κάθε ένας χρησιμοποιεί ταυτόχρονα διάφορες ηλεκτρονικές πλατφόρμες μέσω των οποίων μπορεί να έχει πρόσβαση σε όλη την απαιτούμενη πληροφορία όπου και να βρίσκεται και όποτε αυτός το επιθυμεί. Η φύση αυτού του τύπου συσκευών, καθιστά τα ασύρματα δίκτυα την ευκολότερη λύση για την διασύνδεσή τους. Αυτό έχει οδηγήσει σε μία ταχεία ανάπτυξη στην χρήση των ασύρματων τεχνολογιών για υλοποίηση τοπικών δικτύων. Εκτός από την υποστήριξη ασύρματης σύνδεσης φορητών συσκευών και κινητών σταθμών σε μία τοπική περιοχή, η τεχνολογία των ασύρματων τοπικών δικτύων (Wireless Local Area Networks - WLAN) μπορεί να παρέχει και υπηρεσίες πρόσβασης στο Διαδίκτυο. Σημέρα υπάρχουν δύο βασικά μοντέλα ασυρμάτων τοπικών δικτύων. Το πρώτο μοντέλο για την λειτουργία του, απαιτεί μία σταθερή κεντρική υποδομή μέσω της οποίας οι κόμβοι επικοινωνούν ασύρματα μεταξύ τους. Η σταθερή αυτή υποδομή είναι υπεύθυνη για την διαχείριση του ασύρματου δικτύου, για την δρομολόγηση των πακέτων από τον έναν ασύρματο σταθμό στον άλλο, αλλά και για την διασύνδεση του δικτύου με άλλα ασύρματα ή ενσύρματα δίκτυα δεδομένων. Στο δεύτερο μοντέλο, με το οποίο ασχολούμαστε σε αυτήν την εργασία δεν υπάρχει κάποια σταθερή κεντρική υποδομή και το δίκτυο απαρτίζεται από ένα σύνολο ασύρματων σταθμών με δυνατότητες κίνησης, που επικοινωνούν μεταξύ τους. Τα δίκτυα του μοντέλου αυτού είναι αυτό-δημιούργητα, αυτό-διαχειριζόμενα και 11

αυτό-διοργανούμενα από τους σταθμούς τους. Αυτό σημαίνει ότι κάθε σταθός είναι συνυπεύθυνος για την διαχείριση και ορθή λειτουργία του δικτύου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιων δικτύων είναι τα ασύρματα ad hoc δίκτυα. Τα ασύρματα ad-hoc δίκτυα προσφέρουν μοναδικά πλεονεκτήματα και προσαρμοστικότητα σε διάφορα περιβάλλοντα και εφαρμογές. Καταρχήν μιας και δεν έχουν ανάγκη την ύπαρξη κάποιας σταθερής υποδομής, μπορούν να δημιουργηθούν και να χρησιμοποιηθούν κάθε στιγμή και οπουδήποτε. Ακόμα τα δίκτυα αυτά από την φύση τους μπορούν να αντιμετωπίσουν μόνα τους οποιοδήποτε πρόβλημα παρουσιαστεί σε κάποιον από τους κόμβους τους. Επιπλέον, το γεγονός ότι οι κόμβοι μπορούν να κινούνται δίνουν στα δίκτυα αυτά μεγάλη ευελιξία. Όλα τα παραπάνω πλεονεκτήματα των ασυρμάτων ad hoc δικτύων, τα καθιστούν ιδανικά για την χρησιμοποίησή τους σε περιπτώσεις που απαιτείται προσωρινή πρόβαση σε κοινούς δικτυακούς πόρους ή και στο Διαδίκτυο, αλλά και σε δύσκολα προσβάσιμες φυσικές περιοχές, περιοχές φυσικών ή τεχνητών καταστροφών ή περιοχές στις οποίες πραγματοποιούνται πολεμικές συρράξεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής των ασυρμάτων ad hoc δικτύων αποτελούν τα δίκτυα έξυπνης σκόνης. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από μικρές υπολογιστικές μονάδες ειδικού σκοπού, οι οποίες διασπείρονται σε μεγάλες ποσότητες σε μία γεωγραφική περιοχή. Οι μονάδες αυτές έχουν την δυνατότητα να αντιλαμβάνονται κρίσιμα γεγονότα (π.χ εκδήλωση πυρκαγιάς) ή να κάνουν διάφορες μετρήσεις (π.χ κλιματολογικές μετρήσεις) και εν συνεχεία να επικοινωνούν με τις γειτονικές τους μονάδες για την μεταφορά της πληροφορίας που συνέλεξαν σε κάποια κεντρική μονάδα. 2.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ AD HOC ΔΙΚΤΥΩΝ Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, μπορούμε να κατηγοριοποιήσυμε τα ad hoc δίκτυα σε τέσσερις κύριες κατηγορίες στηριζόμενοι στην περιοχή κάλυψής τους: δίκτυα σωματος (Body Area Networks BAN), προσωπικά δίκτυα (Personal Area Networks - PAN), τόπικα δίκτυα (Local Area Networks LAN) και δίκτυα ευρείας ζώνης (Wide Area networks WAN). Σχήμα 1 Κατηγοριοποίηση των ad hoc δικτύων. 2.2.1 ΔΙΚΤΥΑ ΣΩΜΑΤΟΣ Τα δίκτυα σώματος συσχετίζονται με ηλεκτρονικές συσκευές οι οποίες μπορούν να φορεθούν. Τα τμήματα ενός τέτοιου συστήματος (π.χ οθόνες, μικρόφωνα, ακουστικά κτλ) είναι κατανεμημένα σε διάφορα μέρη του ανρώπινου σώματος, και ένα BAN παρέχει σύνδεση μεταξύ αυτών των τμημάτων. Οι κύριες απαιτήσεις ενός δικτύου BAN είναι: 12

Η ικανότητα διασύνδεσης ανομοιογενών συσκευών, οι οποίες κυμαίνονται από πλήρης συσκευές (π.χ κινητό τηλέφωνο) σε τμήματα μιας συσκευής (μικρόφωνο, οθόνη, κτλ). Δυνατότητα αυτό-διαμόρφωσης. Η προσθήκη ή αφαίρεση μίας συσκευής από ένα BAN πρέπει να είναι διαφανής προς τον χρήστη. Ενοποίηση υπηρεσιών. Η ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων ήχου και βίντεο πρέπει να συνυπάρχει με την μέταδοση δεδομένων μη πραγματικού χρόνου. Ικανότητα διασύνδεσης με άλλα BANs, για την ανταλλαγή δεδομένων με άλλους ανθρώπους ή άλλα PANs (για πρόσβαση στο Διαδίκτυο). Η ακτίνα μετάδοσης ενός BAN αντιστοιχεί στην έκταση του ανθρώπινου σώματος (για παράδειγμα μπορεί να είναι 1-2 μέτρα). Καθώς η καλωδίωση ενός σώματος είναι μία δύσκολη διαδικασία, οι ασύρματες τεχνολογίες αποτελούν την καλύτερη λύση για την διασύνδεση αυτού του τύπου συσκευών (που έχουν την δυνατότητα να φορεθούν). 2.2.2 ΠΡΟΣΩΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ Τα προσωπικά δίκτυα διασυνδέουν κινητές συσκευές οι οποίες μεταφέρονται από χρήστες με άλλες κινητές ή σταθερές συσκευές. Ενώ ένα δίκτυο BAN διασυνδέει τις συσκευές που μπορούν να φορεθούν από ένα άτομο, ένα PAN αποτελεί ένα δίκτυο στο περιβάλλον γύρω από ένα άτομο. Η ακτίνα επικοινωνίας ενός PAN είναι τυπικά μέχρι 10 μέτρα, επιτρέποντας έτσι την διασύνδεση BANs μεταξύ ατόμων που βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο και την διασύνδεση ενός BAN με το περιβάλλον γύρω από αυτό. Οι τεχνολογίες των ασυρμάτων PAN στην μπάντα ISM των 2,4GHz αποτελούν τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες για την υλοποίηση δικτύων PAN. Η εξάπλωση φάσματος χρησιμοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις για την μείωση των παρεμβολών και την χρησιμοποίηση του εύρους ζώνης. Οι τεχνολογίες των ασυρμάτων PAN προσφέρουν πρωτοποριακές λύσεις και εφαρμογές οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν ριζικές αλλαγές στην καθημερινή μας ζωή. Μπορούμε να προμηνήσουμε ότι ένα ασύρματο PAN θα μπορεί να διασυνδέει όχι μόνο φορητές συσκευές όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα, οι φορητοί υπολογιστές, τα PDAs αλλά και κάθε άλλη ψηφιακή συσκευή. Για παράδειγμα όταν φτάνουμε στο αεροδρόμιο θα μπορούμε να αποφύγουμε την ουρά στο ckeck-in χρησιμοποιώντας μία συσκευή χειρός με την οποία θα παρουσιάζουμε ένα ηλεκτρονικό εισητήριο για έλεγχο και αυτόματα θα επιλέγουμε την θέση της αρεσκείας μας. 2.2.3 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ Η χρήση των ασυρμάτων τεχνολογιών για την υλοποίηση τοπικών δικτύων καθίσταται ολοένα και περισσότερο διαδεδομένη και μπορούμε να πούμε ότι αποτελεί μία εύκολα υλοποιήσιμη λύση για τον σχεδιασμό οικιακών δικτύων ή δικτύων γραφείου. Όπως και τα ενσύρματα LAN, ένα WLAN έχει ακτίνα επικοινωνίας περίπου 100-500 μέτρα. Ένα WLAN ικανοποιεί τις ίδιες απαιτήσεις που έχει και ένα τυπικό LAN, δηλαδή υψηλή χωρητικότητα δικτύου, πλήρης συνδεσιμότητα μεταξύ των σταθμών του δικτύου και δυνατότητα broabcast μεταδόσεων. Ωστόσο, για να ικανοποιηθούν αυτές οι απαιτήσεις, ένα WLAN θα πρέπει να υλοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη ζητήματα που προκύπτουν από το 13

ασύρματο περιβάλλον, όπως είναι η ασφάλεια, η κατανάλωση ενέργειας, η κινητικότητα και ο περιορισμός του εύρους ζώνης στην ασύρματη διεπαφή. Δύο διαφορετικές προσεγγίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση ενός WLAN:η αρχιτεκτονική υποδομής και η ad hoc αρχιτεκτονική. Στην αρχιτεκτονική υποδομής υφίσταται μία συσκευή κεντρικού ελέγχου των λειτουργιών του δικτύου η οποία συνήθως ονομάζεται σημείο πρόσβασης (Σχήμα 2). Το σημείο πρόσβασης είναι αυτό που διασυνδέεται στο ενσύρματο δίκτυο και επομένως παρέχει στις συσκευές του δικτύου πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Σχήμα 2 Αρχιτεκτονική υποδομής Σε αντίθεση, ένα ad hoc δίκτυο αποτελεί ένα peer-to-peer δίκτυο, το οποίο απαρτίζεται από ένα σύνολο σταθμών οι οποίοι βρίσκονται ο ένας εντός της ακτίνας μετάδοσης του άλλου και οι οποίοι δυναμικά αυτό-διαμορφώνονται σε ένα προσωρινό δίκτυο ( Σχήμα 3). Σε ένα ad hoc δίκτυο δεν απαιτείται κάποιος κεντρικός έλεγχος αλλά συνεργάζονται δυναμικά οι διάφοροι σταθμοί μεταξύ τους για την επίτευξη τω διαφόρων δικτυακών λειτουργιών. Σχήμα 3 - Ad hoc αρχιτεκτονική 14

2.3 ΙΕΕΕ 802.11 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ Η επιτυχία μιας δικτυακής τεχνολογίας συνδέεται άμεσα με την ανάπτυξη δικτυακών προϊόντων που χρησιμοποιούν την τεχνολογία αυτή, σε ανταγωνιστικές τιμές. Ένας σημαντικός παράγοντας για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι η διάθεση κατάλληλων δικτυακών προτύπων. Επί του παρόντος, δύο βασικά πρότυπα έχουν εμφανιστεί για τα ασύρματα ad hoc δίκτυα: το IEEE 802.11 πρότυπο για WLAN και το Bluetooth για ασύρματα δίκτυα μικρότερης ακτίνας μετάδοσης. Το IEEE 802.11 πρότυπο [1] αποτελεί μία καλή πλατφόρμα για την υλοποίηση ασυρμάτων ad hoc δικτύων ενός βήματος εξαιτίας της απλότητάς του. Εκμεταλλευόμενοι την IEEE 802.11 τεχνολογία, είναι δυνατή η υλοποίηση ασυρμάτων ad hoc δικτύων πολλαπλών βημάτων τα οποία καλύπτουν περιοχές μερικών τετραγωνικών χιλιομέτρων. Σε μικρότερη κλίμακα, τεχνολογίες όπως το Bluetooth μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση ad hoc δικτύων σώματος και προσωπικών ad hoc δικτύων, για παράδειγμα δίκτυα τα οποία διασυνδέουν συσκευές οι οποίες βρίσκονται σε διάφορα μέρη του ανθρώπινου σώματος, ή βρίσκονται τοποθετημένες γύρω από ένα άτομο σε ακτίνα 10 μέτρων. Στην επόμενα ενότητα θα παρουσιάσουμε την αρχιτεκτονική και τα πρωτόκολλα της ΙΕΕΕ 802.11 τεχνολογίας καθώς αποτελεί εκείνη την τεχνολογία με την οποία διαπραγματεύεται η παρούσα εργασία. 2.3.1 Η ΣΤΟΙΒΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΤΗΣ IEEE 802.11 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Η στοίβα πρωτοκόλλων της IEEE 802.11 τεχνολογίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4 - Στοίβα πρωτοκόλλων της 80211 αρχιτεκτονικής Το φυσικό επίπεδο είναι αρκετά πιστό με αυτό του OSI, αλλά το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων διαιρείται σε δύο υποεπίπεδα. Το υποεπίπεδο 15

ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control MAC) σε γενικές γραμμές ορίζει πως θα πραγματοποιηθεί η εκχώρηση των καναλιών. Πάνω από αυτό βρίσκεται το υποεπίπεδο ελέγχου λογικού συνδέσμου (Link Layer Control LLC) το οποίο ως αποστολή έχει την απόκρυψη των διαφορών ανάμεσα στις διάφορες παραλλαγές του 802 πρωτοκόλλου έτσι ώστε να καθιστά τις παραλλαγές αυτές μη αντιληπτές στο επίπεδο δικτύου. Παρακάτω θα περιγράψουμε αναλυτικά το φυσικό επίπεδο και το MAC επίπεδο της στοίβας πρωτοκόλλων της 802.11 αρχιτεκτονικής. (δεν θα δώσουμε έμφαση στο LLC επίπεδο καθώς η λειτουργία του είναι πανομοιότυπη με εκείνη ενός Ethernet δικτύου). 2.3.1.1 Το φυσικό επίπεδο. Υπάρχουν πέντε επιτρεπόμενες τεχνικές μετάδοσης οι οποίες καθιστούν δυνατή την μετάδοση ενός πλαισίου MAC από έναν σταθμό σε έναν άλλο. Οι τεχνικές διαφέρουν και στην χρησιμοποιούμενη τεχνολογία και στις ταχύτητες που επιτυγχάνουν. Η επιλογή των υπέρυθρων χρησιμοποιεί διάχυτη (δηλαδή όχι σε ευθεία γραμμή) μετάδοση. Επιτρέπονται δύο ταχύτητες: 1 Mbps και 2 Mbps. Στο 1 Mbps χρησιμοποιείται μια μέθοδος κωδικοποίησης στην οποία κάθε ομάδα των 4 bit κωδικοποιείται ως μια κωδικολέξη των 16 bit που περιέχει δεκαπέντε 0 και ένα μόνο 1, χρησιμοποιώντας τον κώδικα Gray. Αυτός ο κώδικας έχει την ιδιότητα ένα μικρό σφάλμα συγχρονισμού να οδηγεί σε ένα σφάλμα του ενός bit στην έξοδο. Στα 2 Mbps η κωδικοποίηση παίρνει 2 bit και παράγει μια κωδικολέξη των 4 bit όπου πάλι υπάρχει ένα μόνο 1, δηλαδή δίνει μία από τις κωδικολέξεις 0001, 0010, 0100, 1000. Καθώς τα υπέρυθρα σήματα δεν μπορούν να διαπεράσουν τους τοίχους, οι κυψέλες που βρίσκονται σε διαφορετικά δωμάτια δεν παρουσιάζουν παρεμβολές. Ωστόσο λόγω του χαμηλού εύρους ζώνης (και του γεγονότος ότι το φως του ήλιου εξαφανίζει τα υπέρυθρα σήματα), η επιλογή αυτή δεν είναι δημοφιλής. Η εξάπλωση φάσματος με συνεχή αλλαγή συχνότητας (Frequency Hopping Spread Spectrum FHSS) χρησιμοποιεί 79 κανάλια, το καθένα με εύρος ζώνης 1 MHz ξεκινώντας από το κάτω όριο της ζώνης ISM στα 2.4 GHz. Χρησιμοποιείται μια γεννήτρια ψευδοτυχαίων αριθμών για την παραγωγή της ακολουθίας συχνοτήτων στις οποίες μεταβαίνουν διαδοχικά οι σταθμοί. Όσο όλοι οι σταθμοί χρησιμοποιούν το ίδιο σπόρο (seed) στην γεννήτρια ψευδοτυχαίων αριθμών και παραμένουν χρονικά συγχρονισμένοι θα εκτελούν ταυτόχρονα την μετάβαση στις ίδιες συχνότητες. Ο χρόνος παραμονής σε μια συχνότητα αποτελεί μια ρυθμιζόμενη παράμετρος. Η τυχαία ακολουθία της FHSS τεχνικής παρέχει ένα δίκαιο τρόπο εκχώρησης του φάσματος στην μη αδειοδοτημένη ζώνη ISM. Παρέχει επίσης κάποια περιορισμένη ασφάλεια, αφού ο εισβολέας που δε γνωρίζει την ακολουθία συχνοτήτων ή το χρόνο παραμονής σε κάθε συχνότητα δεν μπορεί να υποκλέψει τις μεταδόσεις. Σε μεγαλύτερες αποστάσεις όπου μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα η εξασθένιση πολλαπλών διαδρομών η τεχνική FHSS παρέχει αρκετή ανοχή. Είναι επίσης σχετικά ανθεκτική στις ραδιοκυματικές παρεμβολές, γεγονός που την κάνει δημοφιλή για συνδέσεις από κτίριο σε κτίριο. Ωστόσο το κύριο μειονέκτημά της είναι το χαμηλό εύρος ζώνης. Η τρίτη τεχνική διαμόρφωσης, η εξάπλωση φάσματος άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS) περιορίζεται και αυτήν στα 1 ή 2 Mbps. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται έχει κάποιες ομοιότητες με το σύστημα CDMA, αλλά διαφέρει σε μερικά σημεία. Κάθε bit μεταδίδεται ως 11 θραύσματα χρησιμοποιώντας την ονομαζόμενη ακολουθία Barker. Χρησιμοποιείται 16

διαμόρφωση μετατόπισης φάσης στο 1 Mbaud, με μετάδοση 1 bit ανά baud για λειτουργία στο 1 Mbps και 2 bit ανά baud για λειτουργία στα 2 Mbps. Το πρώτο από τα ασύρματα τοπικά δίκτυα το οποίο παρουσιάζει υψηλές ταχύτητες χρησιμοποιεί Ορθογώνια Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) για να πετύχει μέχρι και 54 Mbps στην ευρύτερη ζώνη ISM των 5.4 GHz. Όπως δείχνει ο όρος FDM χρησιμοποιούνται διαφορετικές συχνότητες (52 συχνότητες, 48 για δεδομένα και 4 για συγχρονισμό). Επειδή γίνονται ταυτόχρονες μεταδόσεις σε πολλαπλές συχνότητες η τεχνική αυτή θεωρείται μορφή εξάπλωσης φάσματος διαφορετική όμως τόσο από την CDMA όσο και από την FHSS. Η διαίρεση του φάσματος σε πολλές στενές ζώνες έχει κάποια βασικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την χρήση μίας μόνο ευρείας ζώνης, στα οποία περιλαμβάνεται η καλύτερη ανοχή σε παρεμβολές στενής ζώνης και η δυνατότητα χρήσης μη συνεχόμενων ζωνών. Χρησιμοποιείται ένα περίπλοκο σύστημα κωδικοποίησης, το οποίο βασίζεται σε διαμόρφωση μετατόπισης φάσης για ταχύτητες μέχρι 18 Mbps και σε διαμόρφωση πλάτους με ορθογωνισμό (Quadrature Amplitude Modulation QAM) για τις μεγαλύτερες ταχύτητες. Στα 56 Mbps 216 bit δεδομένων κωδικοποιούνται σε σύμβολα των 288 bit. Η τεχνική αυτή έχει καλή αποδοτικότητα σφάλματος από πλευράς Bit/Hz και καλή αντοχή στην εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών. Μια άλλη τεχνική που χρησιμοποιείται είναι η Εξάπλωση Φάσματος Άμεσης Ακολουθίας Υψηλού Ρυθμού Μετάδοσης (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum HS-DSSS) η οποία αποτελεί μία τεχνική εξάπλωσης φάσματος η οποία χρησιμοποιεί 11 εκατομμύρια θραύσματα / sec για να επιτύχει ταχύτητα 11 Mbps στην ζώνη των 2.4 GHz. Ονομάζεται 802.11b αλλά δεν αποτελεί εξέλιξη του 802.11a. Στην πραγματικότητα το πρότυπο εγκρίθηκε πρώτο και βγήκε στην αγορά πρώτο. Οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων που υποστηρίζονται από το 802.11b είναι 1, 2, 5.5, 11 Mbps. Οι δύο βραδύτεροι ρυθμοί μετάδοσης λειτουργούν στο 1 Mbaud, με 1 και 2 bit ανά baud αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας διαμόρφωση μετατόπισης φάσης (για συμβατότητα με την τεχνική DSSS). Οι δύο ταχύτεροι ρυθμοί μετάδοσης λειτουργούν στο 1,375 Mbaud, με 4 και 8 bit ανά baud αντίστοιχα, και χρησιμοποιούν τον κώδικα Walsh / Hadamard. Ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων μπορεί να προσαρμοστεί δυναμικά κατά την λειτουργία του συστήματος ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη δυνατή ταχύτητα κάτω από τις τρέχουσες συνθήκες φορτίου και θορύβου. Στην πράξη η ταχύτητα λειτουργίας του 802.11b είναι σχεδόν πάντα 11 Mbps. Αν και το 802.11 b είναι βραδύτερο από το 802.11a η εμβέλεια του είναι γύρω στις 7 φορές μεγαλύτερη, γεγονός πολύ σημαντικό σε πολλές περιπτώσεις. Τέλος μια βελτιωμένη παραλλαγή του 802.11b αποτελεί το 802.11g πρότυπο. Χρησιμοποιεί την ίδια μέθοδο διαμόρφωσης OFDM του 802.11a, λειτουργεί όμως στην στενή ζώνη ISM των 2.4 GHz όπως και το 802.11b. Θεωρητικά μπορεί να λειτουργήσει μέχρι και τα 54 Mbps. 2.3.1.2 Το επίπεδο MAC. Το επίπεδο MAC παρέχει δύο βασικές λειτουργίες: την αξιόπιστη παραλαβή των δεδομένων και τον έλεγχο της πρόσβασης στο μέσο. Οι επιμέρους λειτουργίες αναλύονται στις ενότητες που ακολουθούν 2.3.1.2.1 Αξιόπιστη παραλαβή δεδομένων Όπως συμβαίνει σε κάθε ασύρματο δίκτυο το MAC (αλλά και το φυσικό) επίπεδο παρουσιάζει σημαντική αναξιοπιστία. Ο θόρυβος, οι παρεμβολές, και άλλα 17

αποτελέσματα της διάδοσης προκαλούν την απώλεια ενός σημαντικού αριθμού MAC πλαισίων. Ακόμα και με την χρήση κωδικών διόρθωσης λαθών, ένας αριθμός MAC πλαισίων μπορεί να μην παραληφθεί ορθά. Αυτό το ζήτημα μπορεί να αντιμετωπιστεί με την χρήση μηχανισμών αξιοπιστίας υψηλότερων επιπέδων, όπως αποτελεί για παράδειγμα το πρωτόκολλο TCP. Όμως οι χρονομετρητές οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την επαναμετάδοση στα υψηλότερα επίπεδα είναι τυπικά της τάξης των μερικών δευτερολέπτων. Είναι έτσι πιο αποτελεσματικό τα λάθη αυτά να αντιμετωπιστούν στο MAC επίπεδο. Για αυτόν τον σκοπό το IEEE 802.11 πρότυπο περιλαμβάνει ένα πρωτόκολλο ανταλλαγής πλαισίων. Όταν ένα σταθμός παραλαμβάνει ένα πλαίσιο δεδομένων από έναν άλλο σταθμό τότε επιστρέφει ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης στον σταθμό ο οποίος αποτελεί τον αποστολέα. Αυτή η συναλλαγή δεν μπορεί να διακοπεί εξαιτίας της μετάδοσης ενός άλλου σταθμού. Εάν η πηγή δεν λάβει μια επιβεβαίωση μέσα σε ένα σύντομο χρονικό διάστημα επειδή καταστράφηκε το πλαίσιο δεδομένων ή το πλαίσιο επιβεβαίωσης η πηγή επαναμεταδίδει το πλαίσιο. Ο βασικός μηχανισμός μετάδοσης δεδομένων στο IEEE 802.11 πρότυπο περιλαμβάνει την ανταλλαγή δύο πλαισίων. Για να επιτύχουμε περαιτέρω αξιοπιστία, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας μηχανισμός ανταλλαγής τεσσάρων πλαισίων. Σε αυτό το σχήμα η πηγή αρχικά δημιουργεί ένα πλαίσιο αίτησης αποστολής (Request To Send RTS) το οποίο και αποστέλλει στον προορισμό. Ο προορισμός στην συνέχεια απαντά με ένα πλαίσιο έγκρισης αποστολής (Clear To Send CTS). Αφού η πηγή λάβει το CTS πλαίσιο μεταδίδει τα πλαίσια δεδομένων και ο προορισμός απαντά με μία επιβεβαίωση. Το RTS πλαίσιο προειδοποιεί όλους τους σταθμούς που βρίσκονται εντός της περιοχής παραλαβής της πηγής ότι θα πραγματοποιηθεί μία μετάδοση. Αυτοί οι σταθμοί αποφεύγουν κάθε μετάδοση έτσι ώστε να αποφευχθεί κάποια σύγκρουση μεταξύ δύο πλαισίων τα οποία μεταδίδονται την ίδια χρονική στιγμή. Παρόμοια το CTS πλαίσιο προειδοποιεί όλους τους σταθμούς που βρίσκονται εντός της περιοχής παραλαβής του προορισμού ότι πρόκειται να πραγματοποιηθεί μία μετάδοση. 2.3.1.2.2 Έλεγχος πρόσβασης Η ομάδα εργασίας του 802.11 προτύπου έχει ορίσει δύο τύπους πρωτοκόλλων σχετικά τον MAC μηχανισμό: Τα πρωτόκολλα κατανεμημένης πρόσβασης τα οποία (όπως το Ethernet) κατανέμουν την απόφαση μετάδοσης σε όλους τους σταθμούς χρησιμοποιώντας έναν μηχανισμό ανίχνευσης του φέροντος και τα πρωτόκολλα κεντρικοποιημένης πρόσβασης τα οποία αναθέτουν την απόφαση μετάδοσης από κάποιον σταθμό σε μια κεντρική οντότητα. Ένα πρωτόκολλο κατανεμημένης πρόσβασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ad hoc δικτύο με ομότιμους σταθμούς και επίσης σε άλλες διαμορφώσεις WLAN οι οποίες παρουσιάζουν κυρίως καταιγιστική κίνηση. Ένα πρωτόκολλο κεντρικοποιημένης πρόσβασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις όπου ένας αριθμός ασύρματων σταθμών συνδέονται μεταξύ τους, ενώ υπάρχει και ένας σταθμός βάσης ο οποίος συνδέεται στο ενσύρματο LAN. Αυτό το πρωτόκολλο είναι κυρίως χρήσιμο εάν κάποια από τα δεδομένα προς αποστολή είναι υψηλής προτεραιότητας. Ο DFWMAC (distributed foundation wireless MAC) αλγόριθμος παρέχει έναν μηχανισμό ελέγχου κατανεμημένης πρόσβασης με έναν προαιρετικό κεντρικοποιημένο έλεγχο πάνω από αυτόν. Το Σχήμα 5 περιγράφει αυτήν την αρχιτεκτονική. Το χαμηλότερο επίπεδο του MAC επιπέδου αποτελεί την κατανεμημένη λειτουργία συντονισμού (Distributed Coordination Function DCF). Η DCF λειτουργία χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο ανταγωνισμού για την παροχή πρόσβασης στο 18

δίκτυο. Συνήθως η ασύγχρονη κίνηση χρησιμοποιεί την DCF λειτουργία. Η σημειακή λειτουργία συντονισμού (Point Coordination Function - PCF) αποτελεί έναν κεντρικοποημένο MAC αλγόριθμο ο οποίος χρησιμοποιείται για την παροχή υπηρεσιών χωρίς ανταγωνισμούς (contention-free). Η PCF λειτουργία λειτουργεί πάνω από την DCF και εκμεταλλεύεται χαρακτηριστικά της DCF λειτουργίας για να εξασφαλίσει την πρόσβαση στους χρήστες του δικτύου. Logical Link Control (LLC) Contention-free service Contention service MAC layer Point Coordintaion Function (PCF) Distributed Coordintaion Function (DCF) 802.11 Infrared 1 Mbps 2 Mbps 802.11 frequencyhopping spread spectrum 1 Mbps 2 Mbps 802.11 directsequence spread spectrum 1 Mbps 2 Mbps 802.11a orthogonal FDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps 802.11b high-rate direct sequence spread spectrum 1, 2, 5.5, 11 Mbps 802.11g orthogonal FDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps Σχήμα 5 - DCF και PCF λειτουργία Κατανεμημένη λειτουργία συντονισμού Το DCF υποεπίπεδο κάνει χρήση ενός απλού αλγορίθμου πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος (carrier sense multiple access CSMA). Εάν ένας σταθμός θέλει να μεταδώσει ένα MAC πλαίσιο ανιχνεύει το μέσο. Εάν το μέσο είναι ανενεργό, ο σταθμός μπορεί να μεταδώσει, διαφορετικά ο σταθμός πρέπει να περιμένει μέχρι η τρέχουσα μετάδοση να ολοκληρωθεί. Η DCF λειτουργία δεν υποστηρίζει κάποιον μηχανισμό ανίχνευσης των συγκρούσεων (π.χ το CSMA/CD) διότι η ανίχνευση των συγκρούσεων δεν είναι πρακτική σε ένα ασύρματο δίκτυο. Η δυναμική εμβέλεια των σημάτων στο μέσο είναι πολύ μεγάλη, έτσι ώστε ένας σταθμός που μεταδίδει να μην μπορεί να ξεχωρίσει αποτελεσματικά τα εισερχόμενα αδύναμα σήματα από τον θόρυβο και τα αποτελέσματα της μετάδοσής τους. Για να εξασφαλίσουμε την επαρκή λειτουργία αυτού του αλγορίθμου, η DCF λειτουργία περιλαμβάνει μία σειρά καθυστερήσεων η οποία ισοδυναμεί με ένα σχήμα προτεραιότητας. Ας ξεκινήσουμε θεωρώντας μία καθυστέρηση η οποία ονομάζεται διάστημα μεταξύ πλαισίων (Interframe Space IFS). Στην πραγματικότητα υπάρχουν τρεις διαφορετικές τιμές του IFS, αλλά ο αλγόριθμος μπορεί να ερμηνευτεί καλύτερα αν αρχικά αγνοήσουμε αυτές τις καθυστερήσεις. Χρησιμοποιώντας ένα IFS οι κανόνες για την CSMA πρόσβαση είναι αυτοί που φαίνονται στο Σχήμα 6. Συγκεκριμένα οι κανόνες είναι: Ένας σταθμός ο οποίος έχει ένα πλαίσιο προς μετάδοση ανιχνεύει το μέσο. Εάν το μέσο είναι ανενεργό ο σταθμός περιμένει για να δει αν το μέσο παραμένει 19

ανενεργό για ένα χρονικό διάστημα ίσο με IFS. Εάν αυτό συμβαίνει τότε ο σταθμός μπορεί να μεταδώσει απευθείας. Εάν το μέσο είναι απασχολημένο (είτε επειδή ο σταθμός αρχικά βρίσκει το μέσο απασχολημένο, είτε επειδή καθίσταται απασχολημένο κατά την IFS ανενεργή χρονική διάρκεια), ο σταθμός αναβάλλει την μετάδοση και συνεχίζει να ελέγχει το μέσο μέχρι η τρέχουσα μετάδοση να τερματιστεί. Με το που τελειώσει η τρέχουσα μετάδοση ο σταθμός αναμένει ένα ακόμα χρονικό διάστημα ίσο με IFS. Εάν το μέσο παραμένει ανενεργό αυτήν την χρονική περίοδο τότε ο σταθμός οπισθοχωρεί για ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και στην συνέχεια ανιχνεύει πάλι το μέσο. Εάν το μέσο είναι ακόμα ανενεργό τότε μεταδίδει τα πλαίσια που επιθυμεί. Κατά την διάρκεια του χρόνου οπισθοδρόμησης (back-off time) εάν το μέσο καταστεί απασχολημένο ο χρονομετρητής οπισθοδρόμησης σταματάει και επανεκινείται όταν το μέσο καταστεί ανενεργό. Σχήμα 6 - Λογική του ελέγχου πρόσβασης στο μέσο Για να εξασφαλιστεί ότι η οπισθοδρόμηση παρουσιάζει κάποια σταθερότητα χρησιμοποιείται μία τεχνική η οποία ονομάζεται δυαδική εκθετική οπισθοχώρηση. Ο σταθμός θα προσπαθεί επανειλημμένως να μεταδώσει στην φάση των επαναλαμβανόμενων συγκρούσεων, αλλά μετά από κάθε σύγκρουση η μέση τιμή της τυχαίας καθυστέρησης θα διπλασιάζεται. Η εκθετική δυαδική οπισθοχώρηση παρέχει ένα τρόπο χειρισμού ενός υψηλού φόρτου κίνησης. Οι επαναλαμβανόμενες αποτυχημένες προσπάθειες για μετάδοση οδηγούν σε όλο και μεγαλύτερους χρόνους οπισθοδρόμησης, το οποίο βοηθάει στην εξομάλυνση του φόρτου. Χωρίς την ύπαρξη μιας τέτοιας οπισθοδρόμησης η επόμενη περίπτωση θα μπορούσε να εμφανιστεί: Δύο οι περισσότεροι σταθμοί προσπαθούν να μεταδώσουν την ίδια χρονική στιγμή προκαλώντας μία σύγκρουση. Αυτοί οι 20

σταθμοί στην συνέχεια προσπαθούν να επαναμεταδώσουν προκαλώντας έτσι μία νέα σύγκρουση. Το προηγούμενο σχήμα εξευγενίζεται για την παροχή πρόσβασης στηριζόμενη στην προτεραιότητα χρησιμοποιώντας τέσσερις τιμές για το διάστημα IFS: Βραχύ διάστημα μεταξύ πλαισίων (short IFS SIFS): Αποτελεί το συντομότερο IFS διάστημα. Χρησιμοποιείται για να δώσει στα δύο άκρα μιας συνδιάλεξης την ευκαιρία για να μεταδώσουν πρώτα. Διάστημα PCF μεταξύ πλαισίων (point coordination function IFS PIFS): Μετά από το διάστημα SIFS υπάρχει πάντα ακριβώς ένας σταθμός ο οποίος έχει το δικαίωμα να απαντήσει. Αν δεν κάνει χρήση της ευκαιρίας αυτής και περάσει χρόνος ίσος με PIFS ο σταθμός βάσης μπορεί να στείλει ένα πλαίσιο ενημέρωσης (beacon frame) ή ένα πλαίσιο περιόδευσης. Αυτός ο μηχανισμός επιτρέπει σε έναν σταθμό που στέλνει ένα πλαίσιο δεδομένων ή μια ακολουθία θραυσμάτων να ολοκληρώσει το πλαίσιό του χωρίς να μπει κανείς άλλος στην μέση, δίνει όμως επίσης στον σταθμό βάσης την ευκαιρία να καταλάβει το κανάλι μόλις τελειώσει ο προηγούμενος αποστολέας την μετάδοσή του, χωρίς να χρειαστεί να ανταγωνιστεί με τους υπόλοιπους σταθμούς. Διάστημα DCF μεταξύ πλαισίων (distributed coordination function IFS DISF): Xρησιμοποιείται ως μια ελάχιστη καθυστέρηση για ασύγχρονα πλαίσια τα οποία ανταγωνίζονται για πρόσβαση στο μέσο. Εάν ο σταθμός βάσης δεν έχει τίποτα να αναφέρει και περάσει χρόνος ίσος με DΙFS, κάθε σταθμός μπορεί να προσπαθήσει να καταλάβει το κανάλι για να στείλει ένα νέο πλαίσιο. Ισχύουν οι συνηθισμένοι κανόνες ανταγωνισμού και μπορεί να χρειαστεί να εκτελεστεί μια δυαδική εκθετική οπισθοχώρηση αν παρουσιαστεί σύγκρουση. Εκτεταμένο διάστημα μεταξύ πλαισίων (extended IFS EIFS): Χρησιμοποιείται από τους σταθμούς στην περίπτωση DCF λειτουργίας όταν το φυσικό επίπεδο θέλει να ενημερώσει το MAC επίπεδο ότι η μετάδοση ενός πλαισίου δεν έχει καταλήξει σε ορθή παραλαβή ενός πλήρους MAC πλαισίου με σωστή τιμή του FCS πεδίου. Κύριος στόχος του είναι η παροχή αρκετού χρόνου για την παραλαβή του πλαίσιου επιβεβαίωσης από τον αποστολέα του πλαισίου δεδομένων. Το Σχήμα 7 περιγράφει την χρήση αυτών των χρονικών διαστημάτων. Ας θεωρήσουμε πρώτα το διάστημα SIFS. Κάθε σταθμός ο οποίος χρησιμοποιεί το SIFS για να καθορίσει την ευκαιρία για μετάδοση, έχει την υψηλότερη προτεραιότητα καθώς συνεχώς θα αποκτά πρόσβαση σε σχέση με έναν σταθμό ο οποίος αναμένει για ένα χρονικό διάστημα ίσο με PIFS ή DIFS. Το χρονικό διάστημα SIFS χρησιμοποιείται στις ακόλουθες καταστάσεις: Επιβεβαίωση (ACK): Όταν ένας σταθμός παραλαβεί ένα πλαίσιο το οποίο προορίζεται μόνο για αυτόν (δεν μιλάμε ούτε για multicast ούτε για broadcast μήνυμα) αποκρίνεται με ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης αφού πρώτα περιμένει για χρονικό διάστημα ίσο με SIFS. Αυτό έχει δύο επιθυμητά αποτελέσματα. Πρώτον επειδή δεν χρησιμοποιείται η ανίχνευση συγκρούσεων η πιθανότητα σύγκρουσης είναι μεγαλύτερη από αυτήν που παρουσιάζει το CSMA/CD πρωτόκολλο και η επιβεβαίωση επιπέδου MAC παρέχει αποτελεσματική ανάκαμψη από τις συγκρούσεις. Δεύτερον το διάστημα SIFS μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την παροχή αποτελεσματικής παράδοσης μιας μονάδας πακέτου δεδομένων (Packet Data Unit - PDU) επιπέδου LLC το οποίο αποτελείται από πολλαπλά MAC πλαίσια. Σε αυτήν την περίπτωση τα επόμενα σενάρια είναι πιθανά: Ένας σταθμός ο οποίος θέλει να μεταδώσει ένα LLC PDU που αποτελείται από πολλά πλαίσια στέλνει τα MAC πλαίσια ένα κάθε φορά. Κάθε πλαίσιο επιβεβαιώνεται από τον παραλήπτη μετά από χρονικό διάστημα 21

ίσο με SIFS. Όταν η πηγή παραλάβει μία επιβεβαίωση, αμέσως (δηλαδή μετά από χρόνο SIFS) στέλνει το επόμενο πλαίσιο της ακολουθίας. Το αποτέλεσμα είναι ότι ο σταθμός με το που ανταγωνιστεί επιτυχώς για την κατάληψη ενός καναλιού, θα ελέγχει το κανάλι μέχρι να στείλει όλα τα πλαίσια τα οποία αποτελούν το LLC PDU. Clear to Send (CTS): Ένας σταθμός μπορεί να εξασφαλίσει ότι ένα προς αποστολή πλαίσιο θα αποσταλεί αφού αρχικά σταλεί ένα RTS πλαίσιο. Ο σταθμός για τον οποίο προορίζεται αυτό το πλαίσιο θα απαντήσει αμέσως με ένα CTS πλαίσιο εάν είναι έτοιμος για να το δεχθεί. Όλοι οι υπόλοιποι σταθμοί οι οποίο ανιχνεύουν το RTS πλαίσιο αναβάλλουν κάθε χρήση του καναλιού. Απάντηση σε ένα μήνυμα ερώτησης (poll response): Αυτή η κατάσταση θα περιγραφεί στην παρακάτω συζήτηση σχετικά με την PCF λειτουργία Το αμέσως μεγαλύτερο IFS διάστημα είναι το PIFS. Αυτό χρησιμοποιείται από τον κεντρικό ελεγκτή όταν αποστέλλει ερωτήματα (polls) προς όλους τους σταθμούς και παρέχει προτεραιότητα σε περιπτώσεις διαφωνιών μεταξύ των σταθμών σχετικά με την κατάληψη του καναλιού. Τέλος το διάστημα DIFS χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις ασύγχρονης κίνησης. Σχήμα 7 - Βασική μέθοδος πρόσβασης Σημειακή λειτουργία συντονισμού Η PCF λειτουργία αποτελεί μία εναλλακτική μέθοδο η οποία υλοποιείται πάνω από την DCF. Η λειτουργία περιλαμβάνει την πραγματοποίηση ερωτημάτων από τον κεντρικό συντονιστή προς τους σταθμούς του δικτύου. Ο συντονιστής κάνει χρήση των PIFS όταν πραγματοποιεί τα ερωτήματα. Επειδή τα διαστήματα PIFS είναι μικρότερα από τα DIFS, ο συντονιστής μπορεί να καταλάβει το μέσο και να μπλοκάρει την ασύγχρονη κίνηση όσο αποστέλλει ερωτήματα και δέχεται απαντήσεις. Ας θεωρήσουμε το παρακάτω σενάριο. Ένα ασύρματο δίκτυο διαμορφώνεται έτσι ώστε ένας αριθμός σταθμών με κίνηση ευαίσθητη στον χρόνο (time-sensitive traffic) να ελέγχεται από τον κεντρικό συντονιστή, ενώ για την υπόλοιπη κίνηση η οποία ανταγωνίζεται για την κατάληψη των καναλιών γίνεται χρήση του CSMA πρωτοκόλλου. Ο κεντρικός ρυθμιστής στέλνει ερωτήματα με έναν round-robin τρόπο σε όλους τους σταθμούς οι οποίοι έχουν περιληφθεί στην όλη διαδικασία. Όταν εκδίδεται ένα ερώτημα, ο σταθμός στον οποίο αποστέλλεται το ερώτημα μπορεί να απαντήσει χρησιμοποιώντας το διάστημα SIFS. Εάν ο κεντρικός συντονιστής παραλάβει μία απάντηση εκδίδει ένα άλλο ερώτημα χρησιμοποιώντας αυτήν την φορά το διάστημα PIFS. Εάν καμία απάντηση δεν παραδοθεί στον κεντρικό συντονιστή κατά την διάρκεια του αναμενόμενου χρονικού διαστήματος τότε ο συντονιστής εκδίδει πάλι ένα νέο ερώτημα. 22

Εάν χρησιμοποιήσουμε τον κανόνα που περιγράψαμε στην προηγούμενη παράγραφο τότε ο κεντρικός συντονιστής θα μπλόκαρε όλη την ασύγχρονη κίνηση εκδίδοντας συνέχεια κάποια ερωτήματα. Για να το αποφύγουμε αυτό ορίζουμε ένα χρονικό διάστημα το οποίο είναι γνωστό ως υπέρ-πλαίσιο (superframe). Κατά την διάρκεια του πρώτου τμήματος αυτού του διαστήματος, ο κεντρικός συντονιστής εκδίδει ερωτήματα προς όλους τους σταθμούς οι οποίοι έχουν διαμορφωθεί ώστε να δέχονται ερωτήματα. Στην συνέχεια ο κεντρικός συντονιστής παραμένει ανενεργός για το υπόλοιπο διάστημα του υπέρ-πλαισίου, επιτρέποντας την εμφάνιση μιας περιόδου ανταγωνισμού για την πρόσβαση στο κανάλι. Το Σχήμα 8 περιγράφει την χρήση του υπέρ-πλαισίου. Στην αρχή ενός υπέρπλαισίου ο κεντρικός συντονιστής του δικτύου μπορεί προαιρετικά να αναλάβει τον έλεγχο και εκδίδει ερωτήματα για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Αυτό το διάστημα ποικίλει εξαιτίας του κυμαινόμενου μεγέθους του πλαισίου το οποίο δημιουργείται από τους αποκρινόμενος σταθμούς. Το υπόλοιπο διάστημα του υπέρ-πλαισίου είναι διαθέσιμο για πρόσβαση η οποία στηρίζεται σε περιόδους ανταγωνισμού. Στο τέλος του υπέρ-πλαισίου ο κεντρικός ρυθμιστής ανταγωνίζεται για την πρόσβαση στο μέσο χρησιμοποιώντας το διάστημα PIFS. Εάν το μέσο είναι ανενεργό, ο κεντρικός συντονιστής καταλαμβάνει αμέσως το κανάλι και ακολουθεί ένα νέο υπέρ-πλαίσιο. Όμως το μέσο μπορεί να είναι απασχολημένο κατά την διάρκεια του τέλους ενός υπέρ-πλαισίου. Σε αυτήν την περίπτωση ο κεντρικός συντονιστής θα αναμένει μέχρι το μέσο να καταστεί ανενεργό και να επιτύχει πρόσβαση στο κανάλι. Αυτό οδηγεί σε μία πιο σύντομη περίοδο υπέρ-πλαισίου (foreshortened superframe period) για τον επόμενο κύκλο. Superframe (fixed nominal length) Superframe (fixed nominal lenght) Foreshortened actual superframe period Contention-free period Contention period PCF (optional) DCF Busy Medium PCF (optional) Variable length (per superframe) PCF defers CF-Burst asynchromo us defers Σχήμα 8 - Δομή του PCF υπέρ-πλαισίου 23

3. ΕΝΕΡΓΟ-ΑΠΟΔΟΤΙΚΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΓΙΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ Καθώς οι σταθμοί των ασυρμάτων ad hoc δικτύων λειτουργούν επί το πλείστον με μπαταρίες, η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί ένα βασικό ζήτημα σε αυτού του τύπου τα δίκτυα. Οι ενεργό-αποδοτικοί σχεδιασμοί για ασύρματα ad hoc δίκτυα παρουσιάζουν αρκετές προκλήσεις λόγω της έλλειψης κεντρικού συντονισμού. Στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση ενεργό-αποδοτικών πρωτοκόλλων για ασύρματα ad hoc δίκτυα. Στις ενότητες που ακολουθούν πραγματοποιείται μία παρουσίαση κάποιων ενδεικτικών ενεργό-αποδοτικών πρωτοκόλλων. Παρουσιάζονται πρωτόκολλα διαφόρων επιπέδων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα πρωτόκολλα επιπέδου MAC. 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι σταθμοί σε ένα ασύρματο ad hoc δίκτυο λειτουργούν επί το πλείστον με μπαταρίες, οπότε η διάρκεια ζωής των μπαταριών αποτελεί έναν κρίσιμο πόρο για την λειτουργία του δικτύου. Ωστόσο η τεχνολογία των μπαταριών δεν έχει πραγματοποιήσει τα θεαματικά βηματα τα οποία έχουν πραγματοποιήσει οι τεχνολογίες των τηλεπικοινωνιακών και των υπολογιστικών συστημάτων. Η χωρητικότητα των μπαταριών δεν μπορεί πλέον να αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό, οπότε διάφορες προσπάθειες πραγματοποιούνται για τον σχεδιασμό ενεργόαποδοτικού λογισμικού και υλικού. Μία φορητή συσκευή αποτελείται από επιμέρους τμήματα υλικού τα οποία καταναλώνουν ενέργεια: επεξεργαστής, μνήμη, δίσκος, οθόνη και ασύρματη κάρτα διεπαφής δικτύου (Wireless Network Interface Card WNIC). Σύμφωνα με το [23] η WNIC μπορεί να καταναλώσει σχεδόν το 10-50% της ολικής ενέργειας του συστήματος, το οποίο και ερμηνεύει το γεγονός σημαντικής μείωσης της διάρκειας ζωής της μπαταρίας ενός φορητού υπολογιστή, στην περίπτωση που συνδεθεί σε αυτόν μία WNIC. Επομένως είναι απαραίτητη η υποστήριξη λειτουργίας των WNIC με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Ο Πίνακας 1 αναφέρει την ισχύ σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας της Lucent ORiNOCO WLAN PC κάρτας. Lucent ORiNOCO WLAN PC card Doze Mode Receive Mode Transmit Mode 0.05 watt 0.9 watt 1.4 watt Πίνακας 1 Ισχύ σε διάφορες καταστάσης λειτουργίας της Lucent ORiNOCO WLAN PC κάρτας Μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι στην κατάσταση απενεργοποίησης (doze mode) καταναλώνεται η ελάχιστη δυνατή ενέργεια και στην κατάσταση μετάδοσης (transmit mode) καταναλώνεται περισσότερη ενέργεια σε σχέση με την κατάσταση παραλαβής (receive mode) πακέτων. Αυτό έχει ως συνέπεια το λογισμικό υψηλότερων επιπέδων να πρέπει να συνεργάστει με τις WNICs για τον συντονισμό των σταθμών σε κατάσταση λειτουργίας την κατάλληλη χρονική στιγμή για την μείωση της κατανάλωσης ενεργειας στην διάρκεια της επικοινωνίας. Διάφορες εργασίες έχουν παρουσιαστεί οι οποίες προτείνουν τεχνικές υλοποίησης ενεργό-αποδοτικού λογισμικού για επεξεργαστές [38] [39] [40] και σκληρούς δίσκους [40] [41] [42]. Αυτές οι τεχνικές δεν σχετίζονται με ζητήματα τα οποία αφορούν το δίκτυο. Αυτό το κεφάλαιο επικεντρώνεται σε ζητήμα διαχείρισης της ισχύος και εξοικονόμησης ενέργειας, τα οποία σχετίζονται με το δίκτυο και 24