Δίκτυα ΙΙ Ενότητα: Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα Κωνσταντίνος Οικονόμου Τμήμα Πληροφορικής
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο«ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ιόνιο Πανεπιστήμιο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος«Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ενωση(Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Περιεχόμενα Αʹ Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα 1 Αʹ.1 ΕπικοινωνιασταΚαταΠεριπτωσηΔικτυα........ 1 Αʹ.2 ΗΣτοιβατωνΠρωτοκολλων.... 3 Αʹ.2.1 ΔιαπλεκόμενηΣχεδίασητωνΕπιπέδων... 5 Αʹ.3 ΧαρακτηριστικατωνΚομβων.... 7 Αʹ.3.1 Κεραίες... 7 Αʹ.3.2 ΙσχύςΜετάδοσης.... 9 Βιβλιογραφία 11 ii
Κατάλογος Σχημάτων Αʹ.1 Παράδειγμα δικτύου 27 κόμβων. Απεικονίζονται οι ζεύξεις ανάμεσα στους κόμβους καθώς και ενδεικτικές μεταφορές δεδομένων από τους κόμβους 5, 21 στουςκόμβους 26και 0,αντίστοιχα.... 3 Αʹ.2 Θεωρούμενη δομή της στοίβας των πρωτοκόλλων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση τα επίπεδα υψηλότερα του επιπέδου δρομολόγησης αναφέρονται συνοπτικά σαν Εφαρμογή..... 4 Αʹ.3 Τοκέλυφοςτηςδιαπλεκόμενηςσχεδίασης.... 6 Αʹ.4 Η συμπεριφορά ενός συστήματος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των κόμβων και άλλους εξωγενείς παράγοντες, όπως η τοπολογία του δικτύου και η κίνηση τωνδεδομένων..... 7 Αʹ.5 Διάφοροιτύποικεραίας..... 8 Αʹ.6 Διαφορετικέςτιμέςτηςισχύοςμετάδοσης Power t,αντιστοιχούνσεδιαφορετικόαριθμόγειτονικώνκόμβων.... 10 iii
Κατάλογος Πινάκων iv
Κεφάλαιο Αʹ Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα κατά περίπτωση δίκτυο ή αλλιώς, ένα σύστημα, έχει μια συγκεκριμένη συμπεριφορά ή απόδοση, που εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Καταρχάς, εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κάθε κόμβου(τύπος κεραίας, ισχύς μετάδοσης ΕΝΑ κ.ά). Διάφοροι εξωγενείς παράγοντες, όπως η τοπολογία(αριθμός κόμβων, πυκνότητα τοπολογίας, κινητικότητα κ.ά), η κίνηση των δεδομένων(φορτίο κίνησης δεδομένων, χρονικοί περιορισμοί κ.ά.) κ.ά.,[1], επίσης επηρεάζουν τη συμπεριφορά του συστήματος. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι να παρουσιάσει εκείνα τα χαρακτηριστικά και εκείνους τους παράγοντες που χρήζουν ενδιαφέροντος για τη μελέτη του συστήματος στη συνέχεια αλλά και να καταδείξει πώς αυτοί επηρεάζουν τις μεταδόσεις των κόμβων. Αʹ.1 Επικοινωνία στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα Τα κατά περίπτωση δίκτυα, όπως όλα τα δίκτυα επικοινωνιών άλλωστε, έχουν αντικειμενικό σκοπό τη μεταφορά δεδομένων ή πληροφορίας, ανάμεσα σε δύο κόμβους του δικτύου, που συνήθως ονομάζονται πηγή και προορισμός. Στη γενική περίπτωση, μία εφαρμογή δικτύου που βρίσκεται σε λειτουργία και στους δύο κόμβους, απαιτεί τη μεταφορά συγκεκριμένου όγκου δεδομένων. Βάσει της απαίτησης αυτής, το δίκτυο είναι υποχρεωμένο να προσδιορίσει μία διαδρομή ανάμεσα στους δύο κόμβους, να παραλάβει τα δεδομένα από την εφαρμογή, να επιβλέψειτησωστήτουςμετάδοσησεκάθεζεύξηανάμεσασεδύοκόμβουςκαι,τέλος,να 1
2Κεφάλαιο Αʹ. Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα φροντίσει για τη σωστή τους παράδοση στον προορισμό. Βέβαια ένα δίκτυο πρέπει να κάνει περισσότερα από τα προηγούμενα, κυρίως στις περιπτώσεις πουπρέπειναανανήψει 1 απόρευστέςκαταστάσειςλειτουργίας 2.Γιαπαράδειγμα,ανοικόμβοι κινούνται, τότε είναι δυνατόν η προσδιοριζόμενη διαδρομή να μην ισχύει μετά από κάποιο χρονικό διάστημα και να πρέπει να αλλάξει η ακολουθούμενη διαδρομή των δεδομένων που ήδη βρίσκονται σε ενδιάμεσους κόμβους στο δίκτυο. Αυτή η κατάσταση λειτουργίας ονομάζεται ρευστή,σεαντίθεσημετησταθερήκατάστασηλειτουργίας 3 κατάτηνοποίατοδίκτυολειτουργεί ομαλά. Στις ρευστές καταστάσεις λειτουργίας, ο αριθμός των κόμβων που επηρεάζουν τις μεταδόσεις ενός κόμβου προς έναν άλλο, δεν είναι εύκολο να προσδιοριστεί, πόσο μάλλον οι κόμβοι να συντονιστούν ώστε να μη μεταδίδουν επηρεάζοντας τις μεταδόσεις άλλων κόμβων. Δεδομένου πως στα κατά περίπτωση δίκτυα οι κόμβοι κινούνται εν γένει ελεύθερα στο δίκτυο, συμπεραίνεται πως γίνεται δύσκολη η αποφυγή συγκρούσεων των μεταδόσεων σε σχέση με δίκτυα όπου οι κόμβοι δεν κινούνται. Στο Σχήμα Αʹ.1 απεικονίζεται ως παράδειγμα ένα δίκτυο με 27 κόμβους. Οι ευθείες γραμμές που συνδέουν δύο κόμβους δηλώνουν τη δυνατότητα που υπάρχει ανάμεσα στο ζευγάρι των κόμβων να πραγματοποιήσει μια απευθείας μετάδοση, δηλαδή μια μετάδοση στην οποία δεν χρειάζεται να παρεμβληθεί οποιοσδήποτε άλλος κόμβος. ΟρισμόςΑʹ.1 Μία απευθείαςμετάδοση ανάμεσασεδύοκόμβους uκαι v,είναιμιαμετάδοση που μπορεί να πραγματοποιηθεί δίχως τη μεσολάβηση άλλου κόμβου και συμβολίζεται ως μετάδοση u v. Ορισμός Αʹ.2 Ενας κόμβος u καλείται γείτονας ή είναι γειτονικός ενός άλλου κόμβου v,ανείναιεφικτήημετάδοση u v. Από τον προηγούμενο ορισμό συμπεραίνεται πως για εκείνες τις περιπτώσεις που το κανάλι είναι συμμετρικό, αν ένας κόμβος είναι γείτονας ενός άλλου, τότε και ο τελευταίος είναι γείτονας του πρώτου. Αυτή ακριβώς η περίπτωση απεικονίζεται στο Σχήμα Αʹ.1. Ορισμός Αʹ.3 Το σύνολο των κόμβων ενός δικτύου και των ζεύξεων αυτών, καλείται τοπολογία του δικτύου αυτού. Οταν οι κόμβοι κινούνται, η τοπολογία ενδέχεται να αλλάζει αλλά όχι μόνο τότε. Η τοπολογία μπορεί να αλλάζει και όταν αλλάζει η ισχύς της μετάδοσης, η κατεύθυνση της κεραίας ή όποιος άλλος παράγοντας συντελεί στην αλλαγή του διαμορφωμένου συνόλου κόμβων και ζεύξεων. 1 Αντιστοιχείστονόρο recovery. 2 Αντιστοιχείστονόρο transient mode of operation. 3 Αντιστοιχείστονόρο steady-state mode of operation.
Αʹ.2. Η Στοίβα των Πρωτοκόλλων 3 Σχήμα Αʹ.1: Παράδειγμα δικτύου 27 κόμβων. Απεικονίζονται οι ζεύξεις ανάμεσα στους κόμβους καθώς και ενδεικτικές μεταφορές δεδομένων από τους κόμβους 5, 21 στους κόμβους 26 και 0, αντίστοιχα. Στο ίδιο σχήμα και με έντονες καμπύλες γραμμές απεικονίζονται, ενδεικτικά, μεταφορές δεδομένωνανάμεσασεδιάφορουςκόμβους.είναιφανερόπωςπολυαλματικές 4 μεταφορέςδεδομένων λαμβάνουν χώρα κάνοντας χρήση απευθείας μεταδόσεων ανάμεσα στους γειτονικούς κόμβους. Για να είναι εφικτή αυτού του είδους η μεταφορά δεδομένων, παίρνονται σημαντικές αποφάσεις από κάθε κόμβο σε διαφορετικά επίπεδα. Η δομή της στοίβας των πρωτοκόλλων που αντιστοιχούν στα επίπεδα αυτά παρουσιάζεται στη συνέχεια. Αʹ.2 Η Στοίβα των Πρωτοκόλλων Το πλέον γνωστό πρότυπο αναφορικά με τα επίπεδα και τα πρωτόκολλα που αντιστοιχούν σε αυτά, σε ένα δίκτυο, είναι η λεγόμενη OSI στοίβα των πρωτοκόλλων. Πρόκειται για ένα γενικό πρότυπο που αποτελεί βάση για πιο ειδικευμένα σχήματα ανάλογα με το κάθε σύστημα. Στο Σχήμα Αʹ.2, το οποίο ακολουθεί τους γενικούς κανόνες του OSI προτύπου φαίνονται τα τρία επίπεδα που έχουν αυξημένο ενδιαφέρον για τα κατά περίπτωση δίκτυα. Στο χαμηλότερο επίπεδο απεικονίζεται το φυσικό επίπεδο, ο ρόλος του οποίου είναι η ασύρματη 4 Αντιστοιχείστονόρο multihop καιδηλώνειτογεγονόςτηςύπαρξηςπολλώναλμάτων(hops)ανάμεσα σε διαφορετικούς κόμβους.
4Κεφάλαιο Αʹ. Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα μεταφορά των δεδομένων. Οι κεραίες, η ισχύς της μετάδοσης, η μέθοδος διαμόρφωσης, ο συγχρονισμός και πολλά άλλα θέματα αφορούν το συγκεκριμένο επίπεδο. Το επίπεδο αυτό και οι ικανότητές του καθορίζουν εν πολλοίς και τους λεγόμενους πόρους του συστήματος. Για παράδειγμα, το φυσικό επίπεδο μπορεί να είναι ικανό να υποστηρίξει ιδιαίτερα υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Τα υψηλότερα επίπεδα, όμως, είναι δυνατόν να μη μπορούν να ανταποκριθούν για διάφορους λόγους(π.χ., αυξημένο φορτίο κίνησης δεδομένων στο δίκτυο, ιδιάζουσα τοπολογία που δεν επιτρέπει την ταυτόχρονη επιτυχή μετάδοση πολλών δεδομένων κτλ.). Σε μια τέτοια περίπτωση λέγεται πως η χρήση των πόρων του συστήματος δεν είναι ικανοποιητική(ή είναι ικανοποιητική, αντίστοιχα), υπονοώντας τις ικανότητες του φυσικού επιπέδου που δεν αξιοποιούνται(ή αξιοποιούνται, αντίστοιχα) κατάλληλα. Μία θέση υψηλότερα βρίσκεται το επίπεδο πρόσβασης μέσου. Συχνά αναφέρεται ως υποεπίπεδο MAC (Medium Access Control). Επιγραμματικά, ο ρόλος του είναι να καθορίζει πότε θα μεταδώσει ο κάθε κόμβος στο δίκτυο έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ικανοποιητική χρήση των πόρων του συστήματος. Πρόκειται για σημαντικό ρόλο, αφού ενδέχεται πολλοί κόμβοι να θέλουν να μεταδώσουν στους γείτονές τους ταυτόχρονα, με συνέπεια οι διάφορες μεταδόσεις να συγκρουστούν, η μετάδοση να φθαρεί και να προκύψει ένα γεγονός εσφαλμένης μετάδοσης. Χρειάζεται, λοιπόν, μια συγκεκριμένη πολιτική ή πρωτόκολλο πρόσβασης, που να μπορεί να ελέγχει τις μεταδόσεις αυτές με γνώμονα τη χρησιμοποίηση των πόρων του συστήματος αλλά και την ικανοποίηση των χρηστών. Για παράδειγμα, μια τέτοια πολιτική οφείλει να είναι δίκαιη, υπό την έννοια πως για τις ίδιες συνθήκες φορτίου κίνησης δεδομένων, όλοι οι κόμβοι θα πρέπει, κατά μέσο όρο, να προσπελάσουν το μέσο μετάδοσης ίσο αριθμό φορών. ü3.! üœœ0/ û! )1" üœœ0/!)1.1" 1 # -#1) üœœ0/ Σχήμα Αʹ.2: Θεωρούμενη δομή της στοίβας των πρωτοκόλλων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση τα επίπεδα υψηλότερα του επιπέδου δρομολόγησης αναφέρονται συνοπτικά σαν Εφαρμογή.
Αʹ.2. Η Στοίβα των Πρωτοκόλλων 5 Ενα επίπεδο υψηλότερα από το επίπεδο προσπέλασης μέσου βρίσκεται το επίπεδο δρομολόγησης. Στο επίπεδο αυτό αποφασίζεται ποιος θα είναι ο επόμενος κόμβος στον οποίο θα προωθηθείτοκάθεπακέτοδεδομένων 5. Υπάρχουνδιάφοραπρωτόκολλαδρομολόγησηςμε διαφορετικά χαρακτηριστικά, ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο καλούνται να λειτουργήσουν. Το πρόβλημα της δρομολόγησης στα κατά περίπτωση δίκτυα είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον, αφού οι κόμβοι του δικτύου κατά κύριο λόγο κινούνται και συνεπώς, η διαδρομή που ακολουθούν τα δεδομένα από την πηγή στον προορισμό συνεχώς αλλάζει. Στο Σχήμα Αʹ.2, τα επίπεδα πάνω από το επίπεδο δρομολόγησης, αναφέρονται συνοπτικά σαν Εφαρμογή. Ουσιαστικά, η εφαρμογή καλείται να δημιουργήσει την πληροφορία, η οποία στη συνέχεια θα μεταλλαχθεί σε πακέτα δεδομένων και θα πρέπει να:(α) δρομολογηθεί(υπεύθυνο είναι το επίπεδο δρομολόγησης),(β) να προσπελάσει το μέσο μετάδοσης(υπεύθυνο είναι το επίπεδο πρόσβασης μέσου) και(γ) να μεταδοθεί μέσω της ασύρματης ζεύξης(υπεύθυνο είναι το φυσικό επίπεδο). Αʹ.2.1 Διαπλεκόμενη Σχεδίαση των Επιπέδων Η περιγραφείσα δομή της στοίβας των πρωτοκόλλων, είναι η γενική δομή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάλλιστα σε οποιοδήποτε άλλο ασύρματο δίκτυο(π.χ., κυψελικά δίκτυα, ασύρματα τοπικά δίκτυα κ.ά.) και όχι μόνο στα κατά περίπτωση δίκτυα. Τα τελευταία έχουν κάποιες επιπλέον ιδιαιτερότητες, ανάλογα με την περίπτωση. Για παράδειγμα, η κατανάλωση ισχύος είναι ένας σημαντικός παράγοντας όχι μόνο γιατί περιορίζει τον χρόνο που λειτουργεί η συσκευήτουχρήστη,αλλάκαιγιατίπεριορίζειτονχρόνοζωήςτουδικτύου,αφούοκάθεκόμβος παίζει το ρόλο του ενδιάμεσου κόμβου στις μεταφορές των δεδομένων. Επίσης είναι δυνατόν, πακέτα δεδομένων προερχόμενα από συγκεκριμένες εφαρμογές, να έχουν συγκεκριμένες απαιτήσεις χρονικής καθυστέρησης, τέτοιες ώστε αν η τελευταία υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο, τα αντίστοιχα πακέτα να γίνουν περιττά για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Αυτό οδηγεί σαφώς σε αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας ανά πετυχημένη μετάδοση πακέτου δεδομένων, αφού με αυτό τον τρόπο καταναλώνεται ενέργεια για να μεταδοθούν πακέτα δεδομένων που στην πορεία γίνονται περιττά. Ενα άλλο παράδειγμα αφορά την επιλογή του κόμβου που είναι ο άμεσος επόμενος προορισμός. Σε πολλές περιπτώσεις το πρωτόκολλο δρομολόγησης έχει πολλές επιλογές προκειμένου να επιλέξει τον επόμενο κόμβο στον οποίο θα προωθήσει ένα πακέτο δεδομένων. Ηαπόφασήτουθαμπορούσεναεξαρτάταιόχιμόνοαπότοναριθμότωναλμάτων, ώστε να επιλεγεί η διαδρομή που αντιστοιχεί στα λιγότερα άλματα όπως γίνεται μέχρι τώρα, αλλά να εξαρτάται και από την ποιότητα της ζεύξης, την επιβάρυνση του συσσωρευτή ενέργειας της κάθε συσκευής κτλ. 5 Ταδεδομέναμεταφέρονταιωςπακέταμέσααπότοδίκτυο.
6Κεφάλαιο Αʹ. Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα ü3.! üœœ0/ û! )1" üœœ0/!)1.1" 1 # -#1) üœœ0/ #3 " û.œ0)0" $0/.1" Σχήμα Αʹ.3: Το κέλυφος της διαπλεκόμενης σχεδίασης. Για τους παραπάνω λόγους και για πολλούς άλλους παρόμοιους, κατέστη φανερό πως θα ήταν προς το συμφέρον των κατά περίπτωση δικτύων να διαφοροποιηθεί η δομή της στοίβας των επιπέδων με σκοπό να επιτραπεί στο κάθε επίπεδο να λαμβάνει πληροφορίες για οποιοδήποτε άλλο επίπεδο χρειάζεται αλλά και να ενεργεί αντίστοιχα. Για παράδειγμα, είναι θεμιτό το πρωτόκολλο δρομολόγησης να μπορεί να αποφασίζει βασιζόμενο σε πληροφορία του φυσικού επιπέδου, αν ένα πακέτο δεδομένων θα πρέπει να μεταδοθεί προς έναν συγκεκριμένο κόμβο καιναδίνειεντολήστοφυσικόεπίπεδοναπροσαρμόσειτηνισχύτηςμετάδοσηςήναστρέψει την κατευθυντική του κεραία(υποθέτοντας πως έχει τέτοιες ικανότητες) προκειμένου να επιτευχθεί η μετάδοση αυτή. Αυτή η διάχυση της πληροφορίας και η ανάληψη πρωτοβουλιών από κάποια επίπεδα για λειτουργίες που αφορούν άλλα επίπεδα, ονομάζεται διαπλεκόμενη σχεδίαση ή cross-layer design και γραφικά απεικονίζεται στο Σχήμα Αʹ.3 σαν ένα κέλυφος που περιβάλλει τη στοίβα των πρωτοκόλλων και που έχει διεπαφές με καθένα από τα επίπεδα. Είναι σαφές, λοιπόν, πως κάτω από το πνεύμα της διαπλεκόμενης σχεδίασης των επιπέδων, αποφάσεις που βάσει του αξιώματος της ανεξαρτησίας των επιπέδων, θα έπρεπε να ληφθούν από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, λαμβάνονται από ένα άλλο επίπεδο, συνυπολογίζοντας συγκεκριμένες παραμέτρους.
Αʹ.3. Χαρακτηριστικά των Κόμβων 7 1 û0/ & -!2 û0/ 0&! 0!!1 Œ. ù!)" )& #)22. Œ." 2)22. #Œ0!3! #.Œ)/ 1.&1 ÿ1$* ".!.2!12 0!.0" ÿ1$*" 02/ 1" Σχήμα Αʹ.4: Η συμπεριφορά ενός συστήματος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των κόμβων και άλλους εξωγενείς παράγοντες, όπως η τοπολογία του δικτύου και η κίνηση των δεδομένων. Αʹ.3 Χαρακτηριστικά των Κόμβων Υπάρχει μια πληθώρα χαρακτηριστικών που μπορεί να έχει κάθε κόμβος. Πέρα από τον τύπο κεραίας που χρησιμοποιεί και την ισχύ με την οποία μεταδίδει, η υπολογιστική ισχύς, το μέγεθος της φυσικής μνήμης και άλλοι παράγοντες,[1]. Αʹ.3.1 Κεραίες Σε ένα ασύρματο σύστημα, η ύπαρξη των κεραιών είναι απαραίτητη τόσο για τη μετάδοση όσο και για τη λήψη των δεδομένων. Οι παραδοσιακές(omni-directional) κεραίες, μεταδίδουν προς όλες τις κατευθύνσεις και συνεπώς, ο δέκτης δεν επωφελείται από σύνολο της ισχύος μετάδοσης, μια που αυτή διασκορπίζεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Επιπλέον, ο επηρεασμός που προκαλείται στους γειτονικούς κόμβους μπορεί να είναι μεγάλος, ενώ δεν μπορεί να γίνει εκμετάλλευση του γεγονότος πως κάποιοι κόμβοι ενδέχεται να είναι πιο κοντά σε άλλους και να μην απαιτείται ιδιαίτερα μεγάλη ισχύς μετάδοσης. Στο Σχήμα Αʹ.5(α), απεικονίζεται ένα παράδειγμα μιας παραδοσιακής κεραίας. Κατευθυντικές κεραίες με δεδομένες κατευθύνσεις αναφορικά με τη μετάδοση και τη λήψη
8Κεφάλαιο Αʹ. Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα των μεταδιδόμενων σημάτων έχουν, επίσης, παρουσιαστεί. Το πλεονέκτημά τους είναι πως η ισχύς του κόμβου που εκπέμπει κατευθύνεται προς τον δέκτη. Στο Σχήμα Αʹ.5(β) παρουσιάζεται ένα παράδειγμα κατευθυντικής κεραίας, ενώ στο Σχήμα Αʹ.5(γ) απεικονίζονται πολλές κατευθυντικές κεραίες που καλύπτουν όλες τις κατευθύνσεις. α. Παραδοσιακή Κεραία. β. Κατευθυντική Κεραία. γ. Πολλές Κατευθυντικές Κεραίες. δ. Εξυπνη Κεραία. Σχήμα Αʹ.5: Διάφοροι τύποι κεραίας. Οι έξυπνες κεραίες θεωρούνται σαν μια από τις πλέον υποσχόμενες τεχνολογίες για τη μείωση των παρεμβολών και για την αύξηση της χρήσης των πόρων του συστήματος. Αποτελούνται απόμίασυστοιχίακεραιών 6 σεσυνδυασμόμεεξελιγμένεςτεχνικέςψηφιακήςεπεξεργασίας σήματος,[2].μιαειδικήκατηγορίατωνέξυπνωνκεραιώνείναιοιπροσαρμοζόμενεςκεραίες 7, οι οποίες είναι ικανές να εστιάζουν την κύρια μετάδοσης προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση (την κατεύθυνση του δέκτη). Αυτή η περίπτωση απεικονίζεται στο Σχήμα Αʹ.5(δ). Μια άλλη κατηγορίαέξυπνωνκεραιώνείναιοικεραίεςδιακόπτη 8,οιοποίεςεπιλέγουνναμεταδίδουν 6 Αντιστοιχείστονόρο antenna array. 7 Αντιστοιχείστονόρο adaptive antenna. 8 Αντιστοιχείστονόρο switched-beam antenna.
Αʹ.3. Χαρακτηριστικά των Κόμβων 9 ανάμεσα σε προεπιλεγμένες κατευθύνσεις. Στη συνέχεια όποτε γίνεται αναφορά σε έξυπνες κεραίες, θα θεωρείται πως πρόκειται για κεραίες ικανές να προσαρμόσουν τη γωνία μετάδοσης κατά την κατεύθυνση του δέκτη, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα Αʹ.5(δ). Αʹ.3.2 Ισχύς Μετάδοσης Από τα προαναφερθέντα εύλογα προκύπτει πως με τη χρήση των έξυπνων κεραιών, είναι δυνατή η δημιουργία συνθηκών ελεγχόμενης τοπολογίας. Τέτοιες συνθήκες μπορούν να επιτευχθούν καιμετηνπροσαρμογήτηςισχύοςμετάδοσης. Ηισχύςμετάδοσης,δηλαδήηισχύςμετην οποία μεταδίδει ο κόμβος που εκπέμπει, παίζει σημαντικό ρόλο αναφορικά με την ύπαρξη μιας ζεύξηςανάμεσασεδύοκόμβουςκαθώςκαιγιατηνποιότητααυτής,[3]. Γενικά,όσοπιο μεγάληηισχύςτηςμετάδοσηςτουκόμβουπουεκπέμπει,τόσοτοπιθανότεροοδέκτηςνα λάβει τη μετάδοση σωστά. Στη συνέχεια η κατάσταση της ζεύξης δεν θα λαμβάνεται υπόψη. Πιο συγκεκριμένα, θα θεωρείται πως ο μόνος λόγος για να προκύψει μια εσφαλμένη μετάδοση (από τη στιγμή που το επίπεδο της ισχύος μετάδοσης είναι αρκετά υψηλό ώστε να υπάρχει μια ζεύξη) είναι η σύγκρουση με τη μετάδοση ή τις μεταδόσεις ενός άλλου κόμβου. Εστω Power t,ηισχύςμετάδοσηςτουκόμβουεκπομπής uκαι aηαπόστασηανάμεσαστον κόμβο uπουεκπέμπεικαιτονκόμβοδέκτη v. Προκειμένουοκόμβος vναμπορείναλάβει σωστάμιαμετάδοσηαπότονκόμβο u,ηλαμβανόμενηισχύςστονδέκτη, Power r,πρέπεινα υπερβαίνειένασυγκεκριμένοόριο. Εχειδειχθείπως Power r Powert a,όπουτο nείναιμια n θετική σταθερά εξαρτώμενη από το αντίστοιχο περιβάλλον,[3]. Αυτή η σχέση, αποκαλύπτει το γεγονός της ανάγκης για εκθετική αύξηση της ισχύος μετάδοσης καθώς η απόσταση μεταξύ δύο κόμβων μεγαλώνει. ΕστωτοπαράδειγμαπουπαρουσιάζεταιστοΣχήμαΑʹ.6,όπου uείναιοπομπόςκόμβοςκαι v οδέκτηςκόμβος.εάνηισχύςμετάδοσηςτουκόμβου uείναι Power t (a 1 )(Power t (a 2 )),τότε μίαμετάδοσηείναιδυνατήσεαπόστασηa 1 (a 2 ).Εάνa 2 = 2a 1 καιθεωρώνταςπωςn = 3,[3],η ισχύςμετάδοσης Power t (a 2 )είναι 8φορέςμεγαλύτερηαπότηνισχύμετάδοσης Power t (a 1 ). Για τις δύο περιπτώσεις που απεικονίζονται στο Σχήμα Αʹ.6, ο κόμβος u είναι ικανός να μεταδώσει στον κόμβο v όπως και σε άλλους κόμβους. Ομως, καθώς η ισχύς μετάδοσης Power t αυξάνει,οκόμβος uείναιικανόςναμεταδώσεισεμεγαλύτεροαριθμόκόμβων(η εμβέλεια μετάδοσης του κόμβου u αυξάνει). Από την άλλη πλευρά, ο αριθμός των κόμβων που λαμβάνουν τη μετάδοση του κόμβου u, επίσης αυξάνει, προκαλώντας αυξημένες παρεμβολές στις μεταδόσεις των άλλων(γειτονικών) κόμβων. Στο Σχήμα Αʹ.6, εκείνοι οι κόμβοι οι οποίοι λαμβάνουντημετάδοση,ότανηισχύςτηςείναιίσημε Power t (a 1 ),χρωματίζονταιμεγκρι,
10Κεφάλαιο Αʹ. Η επικοινωνία και τα χαρακτηριστικά των κόμβων στα Κατά Περίπτωση Δίκτυα ενώγια Power t (a 2 ),χρωματίζονταιμεμαύρο. u υ Power t ( α 1 ) α 1 α 2 Power t ( α 2 ) ΣχήμαΑʹ.6: Διαφορετικέςτιμέςτηςισχύοςμετάδοσης Power t,αντιστοιχούνσεδιαφορετικό αριθμό γειτονικών κόμβων. Στοσημείοαυτόθαπρέπεινατονιστείμιαλεπτομέρεια. Οτανοκόμβος uτουσχήματοςαʹ.6, μεταδίδειμεισχύςμετάδοσης Power t (a 1 ),αυτόδενσημαίνειπωςοικόμβοιεκτόςτωνγκρι, δεν επηρεάζονται. Θεωρείται, όμως, πως η ισχύς του σήματος που λαμβάνουν έχει εξασθενίσει τόσο λόγω της απόστασης(εκθετικός κανόνας), που είναι αμελητέα.
Βιβλιογραφία [1] K. Oikonomou, N. B. Pronios, Ad-Hoc Networking: A Unified Evaluation Framework, IST Mobile & Communications Summit 2003, Aveiro- Portugal, 15-18 June 2003. [2] Hend Koubaa, Reflections on Smart Antennas for MAC Protocols in Multihop Ad Hoc Networks, European Wireless 2002, February 25-28, 2002, Florence, Italy. [3] T. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall; 2nd edition, December 31, 2001. [AAhmad-2005] Aftab Ahmad, Wireless and Mobile Data Networks, John Wiley & Sons Inc., 2005. [Murthy-2004] C. Siva Ram Murthy, and B. S. Manoj, Ad Hoc Wireless Networks, Architectures and Protocols Prentice Hall PRT, Pearson Education Inc., 2004. [TRappaport-2002] Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, Principles and Practice, 2nd Edition, Prentice Hall Inc., 2002. [4] N. Pronios, Performance considerations for slotted spread-spectrum random access networks with directional antennas, in Proc. of IEEE GLOBECOM 89, Nov. 1989. [5] Y.B. Ko, V. Shankarkumar, and N.H. Vaidya, Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks, in Proceedings of IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM), volume 1(3), pages 13 21, Tel Aviv, Israel, Mar. 26 30 2000. [6] J. Ward and R. T. Compton, Improving the Performance of Slotted ALOHA Packet Radio Network with an Adaptive Array, IEEE Transactions on Communications, 40(2):292 300, February 1992. 11
12 Βιβλιογραφία [7] R. T. Compton, Jr. and J. Ward, High throughput slotted ALOHA packet radio networks with adaptive arrays, IEEE Trans. Comm., vol. 41, no. 3, pp. 460-470, March 1993. [8] R. Wattenhofer, L. Li, P. Bahl, and Y. M. Wang, Distributed topology control for power efficient operation in multihop wireless ad hoc networks, in Proc. IEEE Infocom, 2001. [9] M. Kubisch, H. Karl, A. Wolisz, L. C. Zhong and J. Rabaey, Distributed Algorithms for Transmission Power Control in Wireless Sensor Networks, in WCNC 2003, New Orleans, LA, March 2003. [10] J. Monks, V. Bharghavan, and W. W. Hwu, Transmission power control for multiple access wireless packet networks, in Proceedings of The 25th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN 2000), Tampa, FL, November 2000. [11] S. Narayanaswamy, V. Kawadia, R. S. Sreenivas, and P. R. Kumar, Power control in ad-hoc networks: Theory, architecture, algorithm and implementation of the COMPOW protocol, in Proceedings of European Wireless Conference, 2002. [12] J. P. Monks, J.-P. Ebert, A. Wolisz, and W. mei W. Hwu, A study of the energy saving and capacity improvement potential of power control in multi-hop wireless networks, in Workshop on Wireless Local Networks, Tampa, Florida, USA, also Conf. of Local Computer Networks (LCN), Nov. 2001. [13] R. Zheng and R. Kravets, On-demand power management for ad hoc network, IEEE Infocom 2003, San Franciso, CA, USA, March 30 - April 3, 2003. [14] R. Kravets and P. Krishnan, Power management techniques for mobile communication, in Proc. ACM Mobicom 99, pages 24 35, 1999. [15] W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in INFOCOM 2002, New York, June 23-27, 2003. [16] S. Singh and C. S. Raghavendra, PAMAS: Power Aware Multi-Access protocol with Signalling for Ad Hoc Networks, (to appear) ACM Computer Communications Review, 1999. [17] U. Kozat, I. Koutsopoulos and L. Tassiulas, A Framework for Cross-layer Design of Energy-efficient Communication with QoS Provisioning in Multi-hop Wireless Networks,
Βιβλιογραφία 13 [18] R. Albert and A.-L. Barabási, Statistical mechanics of complex networks, Rev. Mod. Phys., in press. [19] R. Albert, H. Jeong and A.-L. Barabási, 1999, Nature (London), 401, 130. [20] M. Faloutsos, P. Faloutsos and C. Faloutsos, Computer Communications Review, 29, 251. [21] B. Bollobas, 1981, Discrete Math. 33. 1. [22] D. J. Watts and S. H. Strogatz, 1998, Nature (London), 393, 440. [23] A.-L Barabási and R. Albert, 1999, Science 286, 509. [24] R. Krishnan and J.P.G. Sterbenz, An Evaluation of the TSMA Protocol as a Control Channel Mechanism in MMWN, Technical report, BBN Technical Memorandum No. 1279, 2000. [25] Dimitri Bertsekas and Robert Gallager, Data networks, 2nd edition, Prentice-Hall, Inc., 1992. [26] G. Wang and N. Ansari, Optimal Broadcast Scheduling in Packet Radio Networks Using Mean Field Annealing, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, VOL. 15, NO. 2, pp 250-260, February 1997. [27] IEEE 802.11, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, Nov. 1997. Draft Supplement to Standard IEEE 802.11, IEEE, New York, January 1999. [28] P. Karn, MACA- A new channel access method for packet radio, in ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Conference, pp. 134-140, 1990. [29] F. A. Tobagi and L. Kleinrock, Packet Switching in Radio ChannelsQ Part II - the Hidden Terminal Problem in Carrier Sense Multiple Access Modes and the Busy-Tone Solution, IEEE Transactions on Communications, Vol. 23, pp. 1417-1433, 1975. [30] V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker, and L. Zhang, MACAW: A Media Access Protocol for Wireless LAN s, Proceedings of ACM SIGCOMM 94, pp. 212-225, 1994. [31] F. Talucci, M. Gerla and L. Fratta, MACA-BI (MACA By Invitation): A Receiver- Oriented Access Protocol for Wireless Multihop Networks, PIMRC 97, the 8th IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Communications, Vol. 2, 1997, pp. 435-39.
14 Βιβλιογραφία [32] J. Deng and Z. J. Haas, Busy Tone Multiple Access (DBTMA): A New Medium Access Control for Packet Radio Networks, in IEEE ICUPC 98, Florence, Italy, October 5-9, 1998. [33] C. Wu and V.O.K. Li, Receiver-Initiated Busy Tone Multiple Access in Packet Radio Networks, ACM Computer Communications Review, 17(5):335-342, August 1987. [34] R. Nelson, L. Kleinrock, Spatial TDMA, A collision-free Multihop Channel Access Protocol, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-33, No. 9, September 1985. [35] C. Zhu and S.M. Corson, A Five-Phase Reservation Protocol (FPRP) for Mobile Ad Hoc Networks, in Proceedings of IEEE Infocom 98, Vol. 1, Pp. 322-331, San Francisco, CA, March/April 1998. [36] I. Chlamtac and A. Farago, Making Transmission Schedules Immune to Topology Changes in Multi-Hop Packet Radio Networks, IEEE/ACM Trans. on Networking, 2:23-29, 1994. [37] J.-H. Ju and V. O. K. Li, An Optimal Topology-Transparent Scheduling Method in Multihop Packet Radio Networks, IEEE/ACM Trans. on Networking, 6:298-306, 1998. [38] J. A. Stankovic, T. Abdelzaher, C. Lu, L. Sha, J. Hou, Real-Time Communication and Coordination in Embedded Sensor Networks, Proceedings of the IEEE, 91(7): 1002-1022, July 2003. (invited paper). [39] R. Rozovsky and P. R. Kumar, SEEDEX: A MAC protocol for ad hoc networks, ACM Mobihoc 01, October 2001. [40] Ian Stewart, Galois Theory, Chapman & Hall/CRC Mathematics, 3rd Edition, 2004. [41] K. Oikonomou and I. Stavrakakis, Analysis of a Probabilistic Topology-Unaware TDMA MAC Policy for Ad-Hoc Networks, IEEE JSAC Special Issue on Quality-of- Service Delivery in Variable Topology Networks, Vol. 22, No. 7, September 2004, pp. 1286-1300. [42] C. P.. P. Bhagwat, Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers, Proceedings of ACM SIGCOMM 94, pp. 234-244, September 1994.
Βιβλιογραφία 15 [43] S. Murthy and J.J. Garci-Luna-Aceves, A Routing Protocol for Packet Radio Networks, in Proceedings of ACM First International Conference on Mobile Computing & Networking (MOBICOM 95), November 1995. [44] C. Perkins and E. Royer, Ad-Hoc On-Demand Distance Vector Routing, Proceedings of 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, February 1999. [45] D. B. Johnson and D. A. Maltz, Mobile Comupting, Kluwer Academic Publishers, 1996. [46] M.R. Pearlman, Z.J. Haas, Determining the Optimal Configuration for the Zone Routing Protocol, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 17(8), 1395-1414, August 1999. [47] Y,-B. Ko and N.H. Vaidya, Location-Aided Routing (LAR) in Mobile Ad Hoc Networks, in Proceedings of the 4th ACM/IEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), pp. 66-75, Dallas, Texas, October 1998.