ΠΟΛΛΑΠΛΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ ΣΕ ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ. Χρ ηστος Παπαχρ ηστου Επι λ επουσα καθηγ ητρια: Φωτειν η-νι ο η Παυλ ιδου

ΠΟΛΛΑΠΛΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ ΣΕ ΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ Χρ ηστος Παπαχρ ηστου Επι λ επουσα καθηγ ητρια: Φωτειν η-νι ο η Παυλ ιδου Αριστοτ ελειο Πανεπιστ ηµιο Θεσσαλον ικης Τµ ηµα Ηλεκτρολ ογων Μηχανικ ων και Μηχανικ ων Η/Υ Τοµ εας Τηλεπικοινωνι ων 26 Οκτω ρ ιου 2001

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περιεχ οµενα 1 Εισαγωγ η 2 1.1 Το υποεπ ιπεδο MAC 3 1.2 Πολλαπλ ηπρ οσ αση σε ad hoc ασ υρµατα δ ικτυα 4 2 Η λειτοuργ ια DCF του προτ υπου IEEE 802.11 5 3 Επικοινων ια πραγµατικο υ χρ ονου 9 3.1 Οαλγ οριθµος Black Burst 10 3.2 Αλληλεπ ιδραση µε αν ωτερα επ ιπεδα 13 3.2.1 Λειτουργ ια µε αν αδραση 13 3.2.2 Λειτουργ ια χωρ ις αν αδραση 14 3.2.3 Σ υνδεση αλυσ ιδας 15 3.3 Συµπερ ασµατα 16 4 Αποφυγ η συγκρο υσεων στο CSMA 17 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου 19 4.2 Αποτελ εσµατα 27 4.2.1 Σταθερ οτητα 28 4.2.2 Καθυστερ ησεις πακ ετων 29 4.3 Συµπερ ασµατα 34 1

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 Εισαγωγ η Κοιν ο χαρακτηριστικ ο τωνδικτ υων ε ιναι η αν αγκη χρησιµοπο ιησης εν ος κοινο υ µ εσου για την επικοινων ια των στοιχε ιων που το αποτελο υν, οπως ενα καλ ωδιο η ο α ερας. Για τεχνικο υς και οικονοµικο υς λ ογους, το ολικ ο ε υρος ζ ωνης που διατ ιθεται για την εξυπηρ ετηση ολων των χρηστ ων του δικτ υου υπ οκειται σε περιορισµο υς. Οι ραγδα ια α υξηση των χρηστ ων και των υπηρεσι ων που µπορο υν να προσφ ερονται µ εσω δικτ υου α υξησαν το ενδιαφ ερον για ερευνα σε αυτ ον τον τοµ εα. Ηαν αγκη για επικοινων ια εντελ ως ανοµοιογεν ων δικτ υων µεταξ υ τους οδ ηγησε στην προτυποπο ιηση και διεθν η αποδοχ η συγκεκριµ ενων πρωτοκ ολλων, εν ωταυτ οχρονα επιδι- ωκεται η β ελτιστη αξιοπο ιηση των διαθ εσιµων π ορων, ε ιτε για να εκµεταλλευτο υν οι διαθ εσιµες υποδοµ ες, ε ιτε γιατ ι αυτ ο επι αλλεται απ ο την ιδια τη φ υση του δικτ υου Αιχµ η της τεχνολογ ιας δικτ υων και ταυτ οχρονα µια µεγ αλη πρ οκληση αποτελο υν τα ασ υρµατα δ ικτυα µετα αλλ οµενης τοπολογ ιας, γνωστ α καιωςad hoc WLANs. Λ ογω της φ υσης τους, τα ad hoc δ ικτυα ε ιναι ενα πεδ ιο οπου µπορο υν να βρουν εφαρ- µογ η οιπερισσ οτερες τεχνολογ ιες που εχουν ηδη χρησιµοποιηθε ι και δοκιµαστε ι σε αλλους τ υπους δικτ υων, µε διαφορετικ ες απαιτ ησεις. Το περι αλλον λειτουργ ιας των ασ υρµατων ad hoc δικτ υων και ο διαθ εσιµος εξοπλισµ ος ωστε να ε ιναι συµφ ερουσα οικονοµικ α η δηµιουργ ια εν ος τ ετοιου δικτ υου, θ ετουν τους αυστηρ οτερους περιορισµο υς απ ο κ αθε αλλ οε ιδος δικτ υου στα τεχνικ α χαρακτηριστικ α. Ταυτ οχρονα, οι καινο υριες υπηρεσ ιες που καλο υνται να παρ εχουν τα δ ικτυα αυτ α, µε εµφαση στις υπηρεσ ιες πολυµ εσων, απαιτο υν τη β ελτιστη εκµετ αλλευση κ αθε διαθ εσιµου π ορου. 2

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Το υποεπ ιπεδο MAC 1.1 Το υποεπ ιπεδο MAC Το υποεπ ιπεδο MAC (multiple access control ελεγχος πολλαπλ ης πρ οσ ασης) υπ αγεται στο επ ιπεδο ζε υξης, το 2 o χαµηλ οτερο στο πρ οτυπο OSI. Σκοπ ος των πρωτοκ ολλων MAC ε ιναι να ρυθµ ιζουν την πρ οσ αση των κ οµ ων του δικτ υου στο κοιν ο µ εσο, ωστε να επιτυγχ ανεται η καλ υτερη αξιοπο ιηση των διαθ εσιµων π ορων. Αν αλογα µε τις απαιτ ησεις και τους περιορισµο υς που θ ετει το µ εσο και ο διαθ εσιµος εξοπλισµ ος εχουν προταθε ι πολλο ι τρ οποι για τον καταµερισµ ο του διαθ εσιµου ε υρους ζ ωνης στους επιµ ερους κ οµ ους. Ετσι εχουν δοκιµαστε ι και/ η καθιερωθε ι πολλο ι τρ οποι αντιµετ ωπισης του προ λ ηµατος της πολλαπλ ης πρ οσ ασης οπως: Aloha CDMA (Code Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) FDMA (Frequency Division Multiple Access) CSMA (Carrier Sense Multiple Access) PRMA (Packet Reservation Multiple Access) Οι παραπ ανω µ εθοδοι πολλαπλ ης πρ οσ ασης χρησιµοποιο υν παραλλαγ ες και συνδυασµο υς των ακ ολουθων βασικ ων µεθ οδων κατανοµ ης των διαθ εσιµων π ορων: Στη χρ ηση διαφορετικ ων συχνοτ ητων εντ ος του διαθ εσιµου ε υρους ζ ωνης για την ταυτ οχρονη επικοινων ια των κ οµ ων. 3

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.2 Πολλαπλ ηπρ οσ αση σε ad hoc ασ υρµατα δ ικτυα Στη χρ ηση διαφορετικ ων κωδ ικων για broadband εκποµπ ες Στην κατ ατµηση του χρ ονου εκποµπ ης Τα πρωτ οκολλα πολλαπλ ης πρ οσ ασης µπορο υν να ενσωµατ ωνουν, εκτ ος των προαναφερθ εντων, σχεδ ον οποιονδ ηποτε συνδυασµ ο αλλων χαρακτηριστικ ων. Μπορο υν να κ ανουν χρ ηση σταθµ ων β ασης που οργαν ωνουν τη δι αθεση του καναλιο υ η να αυτοοργαν ωνονται. Μπορο υν να χρησιµοποιο υν επιπλ εον καν αλι ελ εγχου η να εκπ εµπουν τα απαρα ιτητα πλα ισια ελ εγχου στο ιδιο το καν αλι δεδοµ ενων. Τ ελος, ο χρ ονος µπορε ι ναχωρ ιζεται σε θυρ ιδες η ναθεωρε ιται συνεχ ης. Οι απαιτ ησεις του δικτ υου καθορ ιζουν ποιες µ εθοδοι θα χρησιµοποιηθο υν. 1.2 Πολλαπλ η πρ οσ αση σε ad hoc ασ υρµατα δ ικτυα Ως ad hoc ασ υρµατο δ ικτυο θεωρε ιται ενα δ ικτυο µε µη γνωστ η και συνεχ ως µετα- αλλ οµενη τοπολογ ια, το οπο ιο αυτοοργαν ωνεται χωρ ις τη βο ηθεια σταθµ ων β ασης. Τα τερµατικ α µπορε ιναε ιναι µεταξ υ αλλων φορητο ι υπολογιστ ες, φορητ ατηλ εφωνα η palmtops, γεγον ος που θ ετει περιορισµο υς στην πολυπλοκ οτητα του υλικο υτωνπο- µποδεκτ ων και στην καταν αλωση ισχ υος τους. Ταυτ οχρονα πρ επει να ε ιναι δυνατ η ηεπικοινων ια πραγµατικο υ χρ ονου, οπως η αποστολ η ηχου και κινο υµενης εικ ονας µε δεσµευµ ενη καθυστ ερηση. Το µ εσο που ε ιναι διαθ εσιµο για την επικοινων ια των κ οµ ων ε ιναι µετα αλλ οµενο και µη µοντελοποι ησιµο η ελεγχ οµενο, αρα το σ υστηµα πρ επει να ε ιναι ανθεκτικ ο σελ αθη και παρεµ ολ ες. Επ ισης, διατ ιθενται πολ υ λ ιγες συχν οτητες για εµπορικ ηχρ ηση χωρ ις να χρει αζεται ειδικ η αδεια. Τα παραπ ανω δεδοµ ενα απαιτο υν απ ο ταmac πρωτ οκολλα για ad hoc δ ικτυανακ ανουν β ελτιστη 4

2 Η ΛΕΙΤΟUΡΓΙΑ DCF ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ IEEE 802.11 διαχε ιριση του καναλιο υ µε αυστηρο υς περιορισµο υς στο υλικ ο, δ υο κατ αβ αση αντ ιθετες εννοιες. Το µεγ αλο εµπορικ ο ενδιαφ ερον των ad hoc δικτ υων οδ ηγησε σε πρ ωιµες ισως προσπ αθειες για προτυποπο ιηση τους. Τα δ υο κυρι οτερα πρ οτυπα ε ιναι το HIPER- LAN [3] και η γρηγορ οτερη εκδοσ η τουhiperlan/2 [4] της ευρωπα κo υ οργανισµο υ ETSI και το πρ οτυπο 802.11 [5] του αµερικ ανικου IEEE. Θα ασχοληθο υµε µ ονο µε το 802.11, για το οπο ιο ηδη υπ αρχει κατ αλληλο hardware, αν και µ αλλον ε ιναι λιγ οτερο κατ αλληλο για πραγµατικ α ad hoc στην παρο υσα µορφ η του. Ως βασικ ο πλεον εκτηµα του πρωτοκ ολλου πρ επει να αναφερθε ι η απλ οτητα του απαιτο υµενου εξοπλισµο υ. Ωστ οσο, αν και προ λ επεται, δεν εχει ενσωµατωθε ι η δυνατ οτητα επικοινων ιας πραγµατικο υ χρ ονου. Στην παρο υσα εργασ ια θα περιγραφε ι τουποεπ ιπεδο MAC του προτ υπου 802.11 της IEEE. Στη συν εχεια παρουσι αζεται ο αλγ οριθµος Black Burst [8],[7], οοπο ιος αποτελε ι επ εκταση του MAC υποεπιπ εδου του 802.11, ωστε να υποστηρ ιζεται η επικοινων ια πραγµατικο υ χρ ονου. Τ ελος, θα προταθε ιµιαακ οµη επ εκταση του 802.11 για την αποφυγ η των συγκρο υσεων και τη βελτ ιωση της καθυστ ερησης των πακ ετων, τ οσο για πακ ετα δεδοµ ενων, οσο και πραγ- µατικο υ χρ ονου. 2 Η λειτοuργ ια DCF του προτ υπου IEEE 802.11 Η λειτουργ ια διανεµηµ ενου συντονισµο υ (Distributed Coordination Function - DCF) ε ιναι η µ εθοδος πολλαπλ ης πρ οσ ασης που προτε ινεται απ ο τοπρ οτυπο 802.11 της IEEE για δ ικτυα µετα αλλ οµενης τοπολογ ιας. Η DCF βασ ιζεται σε πολλαπλ η πρ οσ- 5

2 Η ΛΕΙΤΟUΡΓΙΑ DCF ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ IEEE 802.11 αση αν ιχνευσης φ εροντος µε αποφυγ η συγκρο υσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CA), αντ ιγιαcsma/cd (αν ιχνευση συγκρο υσεων Collision Detection). Τα τερµατικ α δεν µπορο υν να παρακολουθο υν το καν αλι για τυχ ον συγκρο υσεις εν ωεκπ εµπουν, τ οσο λ ογω της πολυπλοκ οτητας και του κ οστους εν ος full-duplex ποµποδ εκτη, οσο και λ ογω της ισχ υος του εκπεµπ οµενου σ ηµατος του ιδ ιου του κ οµ ου στην περιοχ η του. Στο IEEE 802.11, ηαν ιχνευση φ εροντος πραγµατοποιε ιται στο φυσικ οεπ ιπεδο (PHY), καθ ως και στο υποεπ ιπεδο της πολλαπλ ης πρ οσ ασης (MAC). Ηπρ ωτη αναφ ερεται ως φυσικ η αν ιχνευση φ εροντος, εν ω ηδε υτερη ως εικονικ ηαν ιχνευση φ εροντος. Η φυσικ ηαν ιχνευση φ εροντος ανιχνε υει την παρουσ ια αλλων κ οµ ων ασ υρµατου LAN κατ α τοπρ οτυπο IEEE 802.11 αναλ υοντας τα λαµ αν οµενα πακ ετα και επ ισης παρακολουθε ι τη δραστηρι οτητα στο καν αλι. Η εικονικ η αν ιχνευση φ εροντος χρησιµοποιε ι πληροφορ ιες για τη δι αρκεια κ αθε διαδικασ ιας απ ο τις επικεφαλ ιδες των εκπεµπ οµενων πακ ετων, για να ρυθµ ισει το δι ανυσµα κατ αληψης δικτ υου (Network Allocation Vector NAV) του εν λ ογω κ οµ- ου. Το NAV δε ιχνει το χρ ονο που πρ επει να περ ασει µ εχρι να ολοκληρωθε ι ητρ εχουσα συνδι αλεξη και να ξαναγ ινει αν ιχνευση της δραστηρι οτητας του καναλιο υ. Ο µηχανισµ ος εικονικ ης αν ιχνευσης φ εροντος προσπαθε ιναεξασφαλ ισει οτι το καν αλι θα ανιχνευθε ι ορθ α ως κατειληµµ ενο για οση δι αρκεια χρει αζεται, ακ οµα και αν η φυσικ η αν ιχνευση φ εροντος παραλε ιψει επακ ολουθες εκποµπ ες που αν ηκουν στην ιδια συνεδρ ια, π.χ. πακ ετα επι ε α ιωσης. Η DCF του προτ υπου IEEE 802.11 µπορε ι να λειτουργ ησει µε η χωρ ις τη χρ ηση 6

2 Η ΛΕΙΤΟUΡΓΙΑ DCF ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ IEEE 802.11 πλαισ ιων ελ εγχου RTS/CTS (Ready To Send/Clear To Send). Τα πλα ισια ελ εγχου RTS/- CTS αντιµετωπ ιζουν µερικ ως το πρ ο ληµα του κρυµµ ενου τερµατικο υπουεµφαν ιζεται στα δ ικτυα πολλ ων κυψελ ων, στην περ ιπτωση δηλαδ ηπου ενας κ οµ ος δεν µπορε ιναακο υσει τις εκποµπ ες ολων των αλλων κ οµ ων. Επ ισης µει ωνουν το ποσ οτου ε υρους ζ ωνης που χ ανεται οταν συµ α ινουν συγκρο υσεις µεταξ υ πακ ετων. Ωστ οσο, σε δ ικτυα µ ιας κυψ ελης και κυρ ιως για πακ ετα µικρο υ και µεσα ιου µ ηκους, τα πλα ισια RTS/CTS µει ωνουν την απ οδοση του δικτ υου, σε σ υγκριση µε λειτουργ ια χωρ ις αυτ α. Εφ οσον θα ασχοληθο υµε µ ονο µε δ ικτυα µ ιας κυψ ελης, η λειτουργ ια της DCF µε πλα ισια RTS/CTS δε θα σχολιαστε ι. Η προτεραι οτητα πρ οσ ασης στο ασ υρµατο µ εσο ελ εγχεται µ εσω της χρ ησης κεν ων χρονικ ων διαστηµ ατων µεταξ υ των εκποµπ ων πλαισ ιων (InterFrame Spacing IFS). Στη DCF χρησιµοποιο υνται δ υο ορισµ ενα χρονικ α διαστ ηµατα, το SIFS (Short IFS) και το DIFS (DCF-IFS), κατ α σειρ α δι αρκειας. Τερµατικ α πουπρ επει να περι- µ ενουν χρονικ οδι αστηµα SIFS πριν εκπ εµψουν εχουν προτεραι οτητα εναντι αυτ ων που πρ επει να περιµ ενουν δι αστηµα DIFS. Κ αθε κ οµ ος µε πακ ετο ετοιµο προς εκποµπ η ακολουθε ι την παρακ ατω διαδικασ ια: Ανιχνε υει το καν αλι και αν ε ιναι ελε υθερο περιµ ενει για χρ ονο DIFS. Αν µετ α τηνπ αροδο του χρ ονου αυτο υ τοκαν αλι παραµ ενει ελε υθερο, το πακ ετο εκπ εµπεται. Αν το καν αλι στην αρχ ητηςαπ οπειρας εκποµπ ης ηµετ α τηνπ αροδο του χρ ονου ε ιναι κατειληµµ ενο, οκ οµ ος περιµ ενει να τελει ωσει η τρ εχουσα εκποµπ η 7

2 Η ΛΕΙΤΟUΡΓΙΑ DCF ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ IEEE 802.11 DIFS Source DATA SIFS Destination ACK DIFS Other NAV Defer access CW Random backoff time Σχ ηµα 1: IEEE 802.11 DCF (χωρ ις πλα ισια RTS/CTS) και στη συν εχεια ενεργοποιε ι τη λειτουργ ια αποφυγ ης συγκρο υσεων του αλγορ ιθµου CSMA/CA, µπα ινονταςσεκατ ασταση αναµον ης (backoff). Μ ολις το καν αλι ξαναµε ινει ελε υθερο για χρ ονο DIFS, υπολογ ιζει εναν τυχα ιο χρ ονο ανα- µον ης (backoff time). Στο πρ οτυπο 802.11 οχρ ονος χωρ ιζεται σε χρονοθυρ ιδες µ ηκους t slot. Οτυχα ιος χρ ονος αναµον ης υπολογ ιζεται ως ενας ακ εραιος που αντιστοιχε ι σε αριθµ ο χρονοθυρ ιδων, και αρχικ α πα ιρνει τιµ ες απ ο [0,7]. Αφο υ τοκαν αλι µε ινει ελε υθερο για χρ ονο DIFS, κ αθε κ οµ ος σε κατ ασταση αναµον ης µει ωνει το χρ ονο αναµον ης του µ εχρι αυτ ος να γ ινει µηδ εν, οπ οτε και εκπ εµπει το πακ ετο του, η µ εχρι το καν αλι να καταληφθε ιξαν α. Στη δε υτερη περ ιπτωση, παγ ωνει το χρ ονο αναµον ης του και περι- µ ενει µ εχρι το καν αλι να µε ινει ελε υθερο για χρ ονο DIFS, πριν αρχ ισει να τον µει ωνει ξαν α. Μετ α απ ο την επιτυχ η εκποµπ η του πακ ετου, ολαµ ανων κ οµ ος περιµ ενει για χρ ονο SIFS και στη συν εχεια εκπ εµπει ενα πακ ετο επι ε α ιωσης. Αν δ υο η περισσ οτερα πακ ετα συγκρουστο υν, οι εκπ εµποντες κ οµ οι δεν λαµ ανουν πακ ετα επι- ε α ιωσης και προσπαθο υν να επανεκπ εµψουν τα πακ ετα τους. Για κ αθε απ οπειρα 8

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ επανεκποµπ ης δηµιουργο υν εναν ν εο χρ ονο αναµον ης σ υµφωνα µε τον τ υπο b2 2+i rnd()c t slot, οπου i ο αριθµ ος των συνεχ οµενων προσπαθει ων εκποµπ ης για το ιδιο πακ ετο, rnd() µια οµοι οµορφη τυχα ια µετα λητ η µεταξ υ (0; 1) και bxc αντιπροσωπε υει το µεγαλ υτερο ακ εραιο µικρ οτερο η ισο του x. Ηπερ ιοδος αναµον ης µετ α τοδι αστηµα DIFS αναφ ερεται ως παρ αθυρο ανταγωνισµο υ (Contention Window CW). Το σχ ηµα 1 παρουσι αζει τη λειτουργ ια της DCF χωρ ις πακ ετα RTS/CTS. Παρ ολο που ο αλγ οριθµος τυχα ιας επανεκποµπ ης ε ιναι µια ε υκολα υλοποι ησιµη λ υση για την αποφυγ η συγκρο υσεων, δεν εγγυ αται δεσµευµ ενη µ εση καθυστ ερηση πακ ετων ο υτε και µηδενικ η πιθαν οτητα συγκρο υσεων. Επ ισης, η σχετικ α µεγ αλη δι αρκεια του παρ αθυρου ανταγωνισµο υσεµεγ αλα φορτ ια, οπως και τα απαρα ιτητα πακ ετα επι ε α ιωσης ξοδε υουν χρ ησιµο ε υρος ζ ωνης. Ως συµπ ερασµα, οαλγ οριθ- µος CSMA/CA δεν προσφ ερει εγγυ ησεις ποι οτητας υπηρεσ ιας (QoS), κ ατι απαρα ιτητο για χρονικ α δεσµευµ ενες υπηρεσ ιες. 3 Επικοινων ια πραγµατικο υ χρ ονου Το θ εµα της προτεραι οτητας των πακ ετων πραγµατικο υ χρ ονου εχει ενσωµατωθε ι στοπρ οτυπο 802.11, το οπο ιο προ λ επει ενα χρονικ ο δι αστηµα µικρ οτερο απ οαυτ ο που περιµ ενουν οι ποµποδ εκτες πακ ετων δεδοµ ενων µ εχρι να αποκτ ησουν πρ οσ αση στο καν αλι. Οι κ οµ οι πραγµατικο υχρ ονου, οι οπο ιοι εχουν πακ ετα προς αποστολ η, συναγων ιζονται µεταξ υ τους για την πρ οσ αση στο καν αλι µετ ααπ οπ α- 9

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.1 Οαλγ οριθµος Black Burst ροδο χρ ονου t med, οοπο ιος επιλ εγεται µικρ οτερος απ οτοδι αστηµα DIFS,που περι- µ ενουν οι κ οµ οι δεδοµ ενων. Ετσι τα πακ ετα πραγµατικο υχρ ονου αποκτο υν π αντα προτεραι οτητα απ εναντι στα δεδοµ ενα, τα οπο ια µπορο υν πλ εον να σταλο υν µ ονο εφ οσον δεν περιµ ενουν πακ ετα πραγµατικο υ χρ ονου σε κ αποιο κ οµ ο. Αυτ ο οµως δεν ε ιναι αρκετ ο για τις εφαρµογ ες πραγµατικο υ χρ ονου, οπου η συνεπ ης επικοινων ια πα ιζει πρωταρχικ ο ρ ολο. 3.1 Οαλγ οριθµος Black Burst Οαλγ οριθµος Black Burst [8],[7] ε ιναι µια πρ οταση για την αντιµετ ωπιση του προ- λ ηµατος της επικοινων ιας για δεδοµ ενα πραγµατικο υ χρ ονου σε ασ υρµατα ad hoc δ ικτυα. Στην παρακ ατω προσ εγγιση θα θεωρηθε ι οτι ο αλγ οριθµος χρησιµοποιε ιται παρ αλληλα µε τη DCF του IEEE 802.11.Η γενικ η ιδ εα του αλγορ ιθµου BB ε ιναι να προσφ ερει προτεραι οτητα και περιορισµ ενη καθυστ ερηση στα πακ ετα πραγµατικο υ χρ ονου. Το µοντ ελο CSMA/CA δεν ε ιναι σε θ εση να προσφ ερει εγγυ ησεις για την καθυστ ερηση στην αποστολ η πακ ετων, κ ατι που εν ωδενε ιναι πρωτ ιστης σηµασ ιας για την αποστολ η πακ ετων δεδοµ ενων, ε ιναι ουσι ωδες για την αποστολ η πακ ετων πραγ- µατικο υ χρ ονου, τα οπο ια ε ιναι αχρηστα µετ α τηνπ αροδο κ αποιου χρονικο υ διαστ ηµατος και πρ επει να απορριφθο υν. Οαλγ οριθµος BB αντιθ ετως ε ιναι σε θ εση να εξασφαλ ισει δεσµευµ ενες καθυστερ ησεις στα πακ ετα που αποστ ελλονται σ υµφωνα µε αυτ ον. Οι κ οµ οι εν ος δικτ υου χωρ ιζονται σε δ υο κατηγορ ιες, στους κ οµ ους δεδοµ ενων, που χρησιµοποιο υν τη συµ ατικ η λειτουργ ια DCF του 802.11, και στους κ οµ- 10

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.1 Οαλγ οριθµος Black Burst pkt pkt 1 2 Data packet 1 2 t med t obs t med t obs t med t sch Real-time station 1 t sch Real-time station 2 Access instant Scheduled access instant Transmission of a black burst Σχ ηµα 2: Χρονικ ο δι αγραµµα της λειτουργ ιας του αλγορ ιθµου Black Burst για πακ ετα πραγµατικο υ χρ ονου ους πραγµατικο υ χρ ονου. Οι κ οµ οι πραγµατικο υ χρ ονου συναγων ιζονται µεταξ υ τους για την απ οκτηση πρ οσ ασης στο µ εσο, αφο υ παρατηρ ησουν το καν αλι ανενεργ ο γιαχρ ονο t med < DIFS. Στη συν εχεια εφαρµ οζουν τον αλγ οριθµο BB, ωστε να αποκτ ησει µ ονο ενας απ ο αυτο υς πρ οσ αση στο καν αλι και να εκπ εµψει το πακ ετο του. Σ υµφωνα µε αυτ η την τεχνικ η, οι κ οµ οι που διαθ ετουν πακ ετα προς αποστολ η εκπ εµπουν παλµο υς εν εργειας που ονοµ αζονται black bursts BBs. Το µ ηκος των παλµ ων εν εργειας ε ιναι α υξουσα συν αρτηση του χρ ονου καθυστ ερησης (contention delay), που µετρι εται απ ο την τελευτα ια φορ α που ο συγκεκριµ ενος κ οµ ος ε ιχε προγραµµατ ισει να αποπειραθε ι να καταλ α ει το καν αλι, µ εχρι το καν αλι να µε ινει ανενεργ ο γιαt med, δηλαδ η µ εχρι την εναρξη της εκποµπ ης των BBs. Για να ξεπεραστο υν προ λ ηµατα εξαιτ ιας της καθυστ ερησης δι αδοσης των σηµ ατων, τα BBs 11

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.1 Οαλγ οριθµος Black Burst σχηµατ ιζονται απ οακ εραιο αριθµ ο θυρ ιδων (black slots) µε δι αρκεια µεγαλ υτερη απ ο το χρ ονο δι αδοσης κατ α µ ηκος της µεγαλ υτερης διαδροµ ης του δικτ υου. Εστω οτι ολοι οι κ οµ οι πραγµατικο υχρ ονου εχουν στε ιλει το πρ ωτο τους πακ ετο χρησιµοποι- ωντας την ιδια µ εθοδο που χρησιµοποιο υν και οι κ οµ οι δεδοµ ενων, και εχουν λ α ει επι ε α ιωση οτι το πακ ετο λ ηφθηκε επιτυχ ως. Αυτ οεξασφαλ ιζει οτι οι εκποµπ ες πακ ετου κ αθε κ οµ ου διαφ ερουν µεταξ υ τους τουλ αχιστον κατ α χρ ονο εν ος πακ ετου t pkt.στη συν εχεια, κ αθε κ οµ ος προγραµµατ ιζει την επ οµενη απ οπειρα εκποµπ ης του σε δεδοµ ενο χρ ονο t sch µετ α την τελευτα ια εκποµπ η του. Ετσι, οι καθυστερ ησεις που θα µετρ ησουν οι κ οµ οι οταν για πρ ωτη φορ αµετ α την προγραµµατισµ ενη απ οπειρα εκποµπ ης το καν αλι αφεθε ι ελε υθερο για χρ ονο t med, θα διαφ ερουν µεταξ υ τους τουλ αχιστον κατ α t pkt. Επιλ εγοντας µια κατ αλληλη συν αρτηση αντιστοιχ ιας αν αµεσα στο χρ ονο καθυστ ερησης και τον αριθµ ο των θυρ ιδων κ αθε παλµο υ εν εργειας, µπορε ι ναεξασφαλιστε ι οτι το µ ηκος του ΒΒ που εκπ εµπει κ αθε κ οµ ος σε µια περ ιοδο ανταγωνισµο υ θαδιαφ ερει τουλ αχιστον κατ α µια θυρ ιδα απ ο τους υπ ολοιπους. Μετ α την εκποµπ η τουββτου, κ αθε κ οµ ος παρατηρε ι τοκαν αλι για χρ ονο παρατ ηρησης t obs. Αν στο δι αστηµα αυτ ο οκ οµ ος δει το καν αλι ανενεργ ο, εκπ εµπει, πρ αγµα που σηµα ινει οτι αποκτ αει προτεραι οτητα ο κ οµ ος που ε ιχε εκπ εµψει το µεγαλ υτερο ΒΒ, και αρα ηταν σε αναµον η περισσ οτερο χρ ονο απ ο τους υπ ολοιπους. Αν αντιθ ετως ο κ οµ ος ανιχνε υσει την υπαρξη BBs στο καν αλι µετ ατην αποστολ η του δικο υτου, παραιτε ιται για τη συγκεκριµ ενη περ ιοδο ανταγωνισµο υκαι περιµ ενει να ξαναµε ινει το καν αλι ανενεργ ο γιαtmed, οπ οτε και επαναλαµ ανει τη 12

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.2 Αλληλεπ ιδραση µε αν ωτερα επ ιπεδα διαδικασ ια, αυτ η τηφορ α µε αποστολ η παλµο υ µεγαλ υτερου απ ο τον προηγο υµενο κατ ατ οσες θυρ ιδες, οσες αντιστοιχο υν στον επιπλ εον χρ ονο που περ ιµενε ο κ οµ ος. Κ αθε φορ α που ενας κ οµ ος καταφ ερνει να εκπ εµψει το πακ ετο του, προγραµµατ ιζει την επ οµενη απ οπειρα εκποµπ ης του στη χρονικ ηστιγµ ηµετ α απ οδι αστηµα t sch, ιδιο για ολους τους κ οµ ους. Αυτ η ην εα χρονικ η στιγµ η θα χρησιµε υσει για τον υπολογισµ ο τουµ ηκους του παλµο υ που θα εκπ εµψει ο κ οµ ος στην επ οµενη περ ιοδο ανταγωνισµο υ που θα π αρει µ ερος. Στο σχ ηµα 2 παρουσι αζεται σχηµατικ α ο µηχανισµ ος λειτουργ ιας του αλγορ ιθµου. Επιλ εγοντας τις κατ αλληλες παραµ ετρους για τον αλγ οριθµο, αν αλογα µε τα φυσικ α χαρακτηριστικ α του συστ ηµατος, οαλγ οριθµος αναδεικν υει σε κ αθε περ ιοδο ανταγωνισµο υµ ονο ενα νικητ η, οοπο ιος εκπ εµπει επιτυχ ως το πακ ετο του. Ολοι οι κ οµ οι εξυπηρετο υνται µε τη σειρ α, αρχ ιζοντας απ ο αυτ ον που περ ιµενε την περισσ οτερη ωρα απ ο την τελευτα ια εκποµπ η του. 3.2 Αλληλεπ ιδραση µε αν ωτερα επ ιπεδα 3.2.1 Λειτουργ ια µε αν αδραση Λ ογω της τυχαι οτητας που υπεισ ερχεται απ οτοπλ ηθος των κ οµ ων στο δ ικτυο, ε ιτε αυτο ι ε ιναι κ οµ οι πραγµατικο υ χρ ονου ε ιτε δεδοµ ενων, το χρονικ ο δι αστηµα µεταξ υδ υο εκποµπ ων του ιδιου κ οµ ου δεν ε ιναι σταθερ ο. Οχρ ονος µεταξ υδ υο εκποµπ ων θα ε ιναι γενικ α ισος µε t sch +t bb +t obs +d, οπου t bb ηδι αρκεια του παλµο υπου εξ επεµψε ο κ οµ ος πριν την αποστολ η του δε υτερου πακ ετου και d οχρ ονος καθυστ ερησης που υπολογ ιστηκε απ οτηστιγµ η της προγραµµατισµ ενης απ οπειρας εκπο- 13

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.2 Αλληλεπ ιδραση µε αν ωτερα επ ιπεδα µπ ης. Για καλ υτερη αξιοπο ιηση της χωρητικ οτητας του καναλιο υ, οαλγ οριθµος ΒΒ µπορε ι να συνεργαστε ι µετααν ωτερα επ ιπεδα, και συγκεκριµ ενα µε την εφαρµογ η που παρ αγει τα πακ ετα πληροφορ ιας πραγµατικο υχρ ονου. Σε αυτ ον τον τρ οπο λειτουργ ιας, το επ ιπεδο MAC, µετ α απ ο κ αθε επιτυχηµ ενη εκποµπ η, καλε ι τηνεφαρ- µογ η να εχει ετοιµ ασει πακ ετο τη στιγµ η τηςεπ οµενης προγραµµατισµ ενης απ οπειρας εκποµπ ης, δηλαδ η µετ α απ ο t sch. Το πακ ετο που ετοιµ αζει η εφαρµογ η ε ιναι µετα λητο υ µ ηκους και περι εχει τα δεδοµ ενα που δηµιουργ ηθηκαν απ ο τηστιγµ η που ετοιµ αστηκε το προηγο υµενο πακ ετο, δηλαδ η κατ α τηδι αρκεια χρ ονου ισου µε t sch +d, οπου d οχρ ονος καθυστ ερησης της προηγο υµενης εκποµπ ης. Αυτ ηηµ εθοδος εξασφαλ ιζει οτι οταν ο κ οµ ος ε ιναι ετοιµος να εισ ελθει σε περ ιοδο ανταγωνισµο υ, θα εχει πακ ετο ετοιµο προς αποστολ η. 3.2.2 Λειτουργ ια χωρ ις αν αδραση Στην παραπ ανω παρ αγραφο θεωρ ηθηκε αµεση σ υνδεση µεταξ υ τουεπιπ εδου MAC και της εφαρµογ ης πραγµατικο υ χρ ονου. Στην περ ιπτωση που ε ιναι επιθυ- µητ η µια πιο απλ η αρχιτεκτονικ η, οπου τα πακ ετα πληροφορ ιας πραγµατικο υ χρ ονου παρουσι αζονται στο επ ιπεδο MAC σε καθορισµ ενα χρονικ αδιαστ ηµατα, πρ επει να ακολουθηθε ι διαφορετικ η τακτικ η. Εστω οτι τα πακ ετα παρουσι αζονται προς εκποµπ ηστοmac κ αθε t rdy µον αδες χρ ονου. Αν επιλ εγαµε t sch + t bb + t obs = t rdy, οι στιγµ ες που ο κ οµ ος αποκτ απρ οσ- αση στο καν αλι θα µετακινο υνταν συνεχ ως σε σχ εση µε την αφιξη των πακ ετων, και οκ οµ ος δε θα µπορε ι να συµ αδ ισει µε το ρυθµ ο αφιξης πακ ετων. Η καθυστ ερηση 14

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.2 Αλληλεπ ιδραση µε αν ωτερα επ ιπεδα κ αθε πακ ετου θα εµπερι εχει και το αθροισµα των καθυστερ ησεων των προηγο υµενων πακ ετων. Προς αποφυγ η αυτο υ, οκ οµ ος προγραµµατ ιζει µετ α απ ο κ αθε εκποµπ η πακ ετου την επ οµενη απ οπειρα εκποµπ ης σε χρ ονο µικρ οτερο απ ο t rdy, συγκεκριµ ενα σε χρ ονο t sch = t rdy t bb t obs ffi, οπου ffi 0 κατ αλληλα επιλεγµ ενο, ωστε να αντισταθµ ιζει τη µ εση καθυστ ερηση εκποµπ ης των πακ ετων πραγµατικο υ χρ ονου. Την προγραµµατισµ ενη χρονικ ηστιγµ η, οκ οµ ος αρχ ιζει να ανταγων ιζεται για την απ οκτηση του καναλιο υσ υµφωνα µε τον αλγ οριθµο ΒΒ, µ ονο αν εχει παραλ α ει εν τω µεταξ υ καινο υριο πακ ετο. Η παρ αµετρος ffi πρ επει να επιλεγε ιλαµ ανοντας υπ οψη τα χαρακτηριστικ α του δικτ υου, ωστε η µ εση καθυστ ερηση των πακ ετων πραγµατικο υ χρ ονου να παραµ ενει περιορισµ ενη. 3.2.3 Σ υνδεση αλυσ ιδας Στα ασ υρµατα δ ικτυα, ο αριθµ ος των κ οµ ων πραγµατικο υ χρ ονου που ανταγων ιζονται για την πρ οσ αση στο µ εσο µπορε ι ναµειωθε ι οργαν ωνοντας τους κ οµ- ους σε αλυσ ιδες. Αλυσ ιδα ονοµ αζεται µια αλληλουχ ια πακ ετων πραγµατικο υ χρ ονου, στην οπο ια κ αθε πακ ετο προσκαλε ιτοεπ οµενο προς εκποµπ η. Ετσι µει ωνεται οχρ ονος που σπαταλι εται στις περι οδους ανταγωνισµο υ και το µοντ ελο εκποµπ ης προσεγγ ιζει τη δοµ η εν ος TDM δικτ υου. Οκ αθε κ οµ ος παρακολουθε ι τηνκ ινηση του δικτ υου για κ αποιο χρονικ οδι αστηµα και αναγνωρ ιζει τους υπ ολοιπους κ οµ ους πραγµατικο υχρ ονου. Επιπλ εον, µε την προσθ ηκη κατ αλληλων σηµαι ων στο πλα ισιο κ αθε πακ ετου και τη χρ ηση κατ αλληλων αλγορ ιθµων, οκ οµ ος επιλ εγει και προσκαλε ιτονεπ οµενο κ οµ ο να εκπ εµψει. Οι αλγ οριθµοι συνδυ αζονται µε την παρατ ηρηση 15

3 ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 3.3 Συµπερ ασµατα της κ ινησης του δικτ υου και εξασφαλ ιζουν οτι το µ ηκος κ αθε αλυσ ιδας παραµ ενει µικρ οτερο απ ο ενα δεδοµ ενο οριο και οτι ο κ οµ ος που θα προσκληθε ι δεναν ηκει σε αλλη αλυσ ιδα, εκτ ος κι αν ε ιναι ο αρχικ ος κ οµ ος της. Οταν κ αποιος κ οµ ος αναγνωρ ισει σε εκπεµπ οµενο πακ ετο πρ οσκληση προς εκποµπ η καιεφ οσον εχει ετοιµο πακ ετο, µπορε ιναστε ιλει τα δεδοµ ενα του µετ ααπ οχρ ονο SIFS απ οτοτ ελος του πακ ετου που τον προσκ αλεσε. Αν για κ αποιο λ ογο δεν ανταποκριθε ι στηνπρ οσκληση, απλ α θαπρ επει να ανταγωνιστε ι κανονικ α, για να αποκτ ησει δικα ιωµα στη χρ ηση του µ εσου σ υµφωνα µε τον αλγ οριθµο ΒΒ, µετ ααπ οχρ ονο t med. Με κατ αλληλη παρατ ηρηση του µ εσου, οι κ οµ οι µπορο υν να αυτοοργαν ωνονται σε αλυσ ιδες, καθ ως και να διαφοροποιο υν τις αλυσ ιδες σπ αζοντ αςτιςσεµικρ οτερες η συγχωνε υοντ ας τις σε µεγαλ υτερες, ωστε να πετ υχουν καλ υτερη εκµετ αλλευση του µ εσου. 3.3 Συµπερ ασµατα Οαλγ οριθµος Black Burst πετυχα ινει καλ υτερες επιδ οσεις απ οτοcsma/ca, εχοντας ωστ οσο εναν σηµαντικ ο περιορισµ ο. Ολ οκληρος ο µηχανισµ ος του βασ ιζεται στο γεγον ος, οτι κ αθε κ οµ ος τροφοδοτε ιται µε πακ ετα προς εκποµπ ησετακτ αχρονικ αδιαστ ηµατα. Κ ατι τ ετοιο ε ιναι αρκετ αλογικ ο για πακ ετα πραγµατικο υχρ ονου, παρ ολο που ακ οµα και σε multimedia επικοινων ια δεν ε ιναι απαρα ιτητη η συνεχ ης ρο η δεδοµ ενων. Στην περ ιπτωση οµως της αποστολ ης δεδοµ ενων δεν υπ αρχει κα- µ ια κανονικ οτητα στην αφιξη των πακ ετων στους ποµπο υς. Ετσι, το γεγον ος οτι ο αλγ οριθµος εξαρτ αται αποκλειστικ ααπ οτηνικαν οτητα των ανωτ ερων επιπ εδων να τροφοδοτο υν συνεπ ως το επ ιπεδο MAC µε πακ ετα, περιορ ιζει τις δυνατ οτητες εφαρ- 16

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA µογ ης του. 4 Αποφυγ η συγκρο υσεων στο CSMA Οαλγ οριθµος CSMA/CA που χρησιµοποιε ιται στο πρωτ οκολλο 802.11 της ΙΕΕΕ δεν αποκλε ιει συγκρο υσεις µεταξ υ τωνεκπεµπ οµενων πακ ετων. Oι συγκρο υσεις ε ιναι εγγενε ις σε τ ετοιου ε ιδους δ ικτυα, κ ατι που εχει εναν λ ιγο η πολ υ αρνητικ ο αντ ικτυπο στις επιδ οσεις του συστ ηµατος, ειδικ α σε καταστ ασεις υψηλ ων φορτ ιων. Αυτ ο συµ α ινει εξαιτ ιας της καθυστερηµ ενης αντ ιληψης που εχει κ αθε κ οµ ος για τις εκποµπ ες των υπολο ιπων κ οµ ων. Ο µηχανισµ ος αποφυγ ης συγκρο υσεων του CSMA/CA δεν αποκλε ιει τελε ιως την πιθαν οτητα σ υγκρουσης µεταξ υ δ υο η περισσοτ ερων ταυτ οχρονα εκπεµπ οµενων πακ ετων, αλλ α και αυξ ανει το χρ ονο κατ α τον οπο ιο το καν αλι παραµ ενει ανενεργ ο εξαιτ ιας του απαρα ιτητου χρ ονου αναµον ης. Αυτ αταδ υο µειονεκτ ηµατα γ ινονται πιο ουσιαστικ α οταν το σ υστηµα λειτουργε ι σε υψηλ α φορτ ια, οταν οι συγκρο υσεις γ ινονται συχν οτερα και το σ υστηµα προσπαθε ι να αντιµετωπ ισει το πρ ο ληµα αυξ ανοντας το µ εσο χρ ονο αναµον ης, µει ωνοντας ετσι περαιτ ερω τον ωφ ελιµο χρ ονο εκποµπ ης. Επιπλ εον, η µη µηδενικ η πιθαν οτητα σ υγκρουσης καθιστ α αναγκα ια την εκποµπ η πακ ετων επι ε α ιωσης, κ ατι το οπο ιο µει- ωνει επ ισης την αποτελεσµατικ οτητα χρησιµοπο ιησης του µ εσου. Παρ ολ αυτ α, το CSMA/CA εξακολουθε ιναε ιναι µ ια ευρ εως αποδεκτ ηεπιλογ ηγιαad hoc δ ικτυα, κυρ ιως λ ογω της απλ οτητας του απαιτο υµενου εξοπλισµο υ, τ οσο του hardware οσο και του software. Πρ επει επ ισης να αναφερθε ι οτι παραλλαγ ες του CSMA (CSMA/CD- Ethernet) εχουν χρησιµοποιηθε ι ευρ υτατα τα τελευτα ια χρ ονια, καθιστ ωντας το ως 17

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA ενα καλ α δοκιµασµ ενο, αν και οχι π αντα επαρκ ες, MAC πρωτ οκολλο. Στο κεφ αλαιο 3 µελετ ηθηκε η χρ ηση παλµ ων εν εργειας για την αποφυγ η συγκρο υσεων µεταξ υ πακ ετων πραγµατικο υχρ ονου σε ενα ad hoc δ ικτυο, ως µια βελτ ιωση στη DCF λειτουργ ια του IEEE 802.11, εκµεταλλε υοντας ετσι τη διαθεσιµ οτητα κατ αλληλου εξοπλισµο υ. Ωστ οσο, οπως αναφ ερθηκε, ηµ εθοδος αυτ η δεν µπορε ι να χρησιµοποιηθε ιγια καταιγιστικ ηκυκλοφορ ια πακ ετων δεδοµ ενων, λ ογω της τυχαι οτητας που εισ αγεται στη λειτουργ ια του συστ ηµατος. Προτε ινεται ενας αλγ οριθµος που βασ ιζεται στην εκποµπ ηριπ ων εν εργειας, αλλ α κατ αλληλος για καταιγιστικ η κυκλοφορ ια δεδοµ ενων. Οι ριπ ες εν εργειας ε ιναι σχεδιασµ ενες ετσι, ωστε να µη συµ α ινουν συγκρο υσεις πακ ετωνανδ υο ηπερισσ οτεροι κ οµ οι ανταγων ιζονται για τη χρ ηση του καναλιο υ. Συγκεκριµ ενα, οι κ οµ οι "καταλα α ινουν" ποιος απ οαυτο υς εχει µε ινει ανενεργ ος για περισσ οτερη ωρα. Ονικητ ης της περι οδου ανταγωνισµο υεκπ εµπει τ οτε το πακ ετο του, εν ωοιυπ ολοιποι παραµ ενουν σιωπηλο ι, µηδεν ιζοντας ετσι την πιθαν οτητα µιας σ υγκρουσης. Οαλγ οριθµος βασ ιζεται σε απλ η παρατ ηρηση του µ εσου (carrier sensing) και εξασφαλ ιζει την εκπο- µπ η πακ ετων χωρ ις συγκρο υσεις, µει ωνοντας ταυτ οχρονα τη µ εση καθυστ ερηση τους και αυξ ανοντας το µ εγιστο ολικ ο φορτ ιο του συστ ηµατος. Μπορε ι να αντικαταστ ησει την εφαρµογ η τουcsma/ca οπως αυτ η ορ ιζεται στη DCF του 802.11 µε ελ αχιστες τροποποι ησεις: η λειτουργ ια τυχα ιας επανεκποµπ ης απενεργοποιε ιται και στη θ εση της εισ αγεται η δυνατ οτητα εκποµπ ης ριπ ων εν εργειας. Στη συν εχεια, θα παρουσιαστε ι µιαµ εθοδος για την ταξιν οµηση των δικαιωµ ατων προσπ ελασης των κ οµ ων 18

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου στο µ εσο για ενα γενικ ο ad hoc δ ικτυο χωρ ις κρυµµ ενα τερµατικ α, για την οπο ια κατα- αλλεται προσπ αθεια, ωστε να σπαταλ αει οσο το δυνατ ον λιγ οτερο ωφ ελιµο χρ ονο εκποµπ ης. Στο τ ελος του κεφαλα ιου οι επιδ οσεις του αλγορ ιθµου συγκρ ινονται µε αυτ ες της DCF λειτουργ ιας του πρωτοκ ολλου 802.11. 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου Οαλγ οριθµος που παρουσι αζεται χρησιµοποιε ι µ ια αλληλουχ ια ριπ ων εν εργειας πριν απ ο την εκποµπ ηκ αθε πακ ετου. Οι ριπ ες εν εργειας µπορε ιναε ιναι ε ιτε σ ηµατα ευρε ιας ζ ωνης, ε ιτε απλο ι τ ονοι, και χρησιµοποιο υν το ιδιο ε υρος συχνοτ ητων µε τις εκποµπ ες δεδοµ ενων. Οσκοπ ος τους ε ιναι να φρακ αρουν το καν αλι, ωστε να θεωρηθε ι κατειληµµ ενο απ ο τακυκλ ωµατα των τερµατικ ων που παρακολουθο υν το µ εσο. Για να λειτουργ ησει σωστ α οαλγ οριθµος, πρ επει να ληφθο υν υπ οψη τρεις παρ αγοντες. Καταρχ ην, πρ επει να εξασφαλιστε ι οτι αν α π ασα στιγµ η κ αθε κ οµ ος θα ε ιναι σε θ εση να παρ αγει µια µοναδικ η αλληλουχ ια ριπ ων εν εργειας. Επ ισης, η αλληλουχ ια αυτ ηπρ επει να ε ιναι κατ αλληλη ωστε η εκποµπ η της να αναδεικν υει αναµφ ι ολα ενα µ ονο νικητ ησεκ αθε περ ιοδο ανταγωνισµο υ και η συνολικ ηδι αρκεια της να ε ιναι οσο το δυνατ ον µικρ οτερη, ανεξ αρτητα του αριθµο υ των ανταγωνιζ οµενων τερµατικ ων. Για την αν αλυση του αλγορ ιθµου θεωρο υµε ενα ασ υρµατο δ ικτυο µε N τερµ ατικ α αριθµηµ ενα απ ο 1 εως N, τα οπο ια χρησιµοποιο υν CSMA/CA στο MAC επ ιπεδ ο τους. Υποθ ετουµε οτι κ αθε ενας κ οµ ος µπορε ι ναακο υσει ολους τους υπ ολοιπους στο δ ικτυο. Ετσι, ε ιναι δυνατ ον κ αθε ενας τους να µετρ αει των αριθµ ο των πακ ετων που εκπ εµφθηκαν απ ο τηστιγµ η της τελευτα ιας επιτυχο υς εκποµπ ης του ιδ ιου. 19

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου á= 1 0 á= 1 1, á= 3 0 á= 1 2, á= 2 0, á3=1 á=2 1, á= 2 1, á3=0 Node 1 ACK Node 3 ACK Node 2 ACK Node 3 ACK Σχ ηµα 3: Χρονικ ο δι αγραµµα που απεικον ιζει υπολογισµ ο επιπ εδου προτεραι οτητας Εφ οσον µ ονο ενας κ οµ ος µπορε ι κ αθε φορ αναστε ιλει πακ ετο επιτυχ ως, ο αριθµ ος των πακ ετων a i που θα εχει µετρ ησει ο κ οµ ος i σε κ αθε δεδοµ ενη στιγµ η θαε ιναι ενας µοναδικ ος ακ εραιος. Για να εξασφαλιστε ι οτι το a i θα παραµε ινει φραγµ ενο ακ οµα και για τερµατικ α που εχουν µε ινει ανενεργ α γιαµεγ αλες περι οδους, οκ οµ- ος i ελ εγχει την επικεφαλ ιδα κ αθε πακ ετου και αυξ ανει το µετρητ η του, µ ονο αν ο αποστολ εας του δεν εχει ξαναεκπ εµψει απ ο την τελευτα ια επιτυχ η εκποµπ ητουκ οµ- ου i και µετ α. Ετσι, ανα π ασα στιγµ ητοa i εχει τιµ η µεταξ υτου0 και του N 1 και a i 6= a k για i 6= k. Κ αθε a i αντιπροσωπε υει ενα επ ιπεδο προτεραι οτητας ισο µε την τιµ η του, µε το επ ιπεδο N 1 να ε ιναι αυτ ο µε την υψηλ οτερη προτεραι οτητα.στο σχ ηµα 3 παρουσι αζεται ενα παρ αδειγµα υπολογισµο υτωνεπιπ εδων προτεραι οτητας για ενα δ ικτυο τρι ων τερµατικ ων. Ε ιναι φανερ ο οτι οι κ οµ οι που εχουν µε ινει ανενεργο ιγιαµεγ αλ ες περι οδους χρ ονου εχουν προτεραι οτητα απ εναντι σε αυτο υς που εχουν πρ οσφατα εκπ εµψει τα πακ ετα τους. Σε ενα δ ικτυο µε οµοι οµορφη κατανοµ η φορτ ιου δεδοµ ενων µεταξ υ των τερµατικ ων, οαλγ οριθµος αυτ ος ωθε ι τους κ οµ ους να εκπ εµπουν µε τη σειρ α και δεν επιτρ επει µεγ αλες διακυµ ανσεις στις καθυστερ ησεις των πακ ετων, κρατ ωντας τις κοντ αστοµ εσο ορο. Το πρ ωτο πακ ετο που στ ελνει κ αθε κ οµ ος οταν εισ ερχεται στο δ ικτυο, εκπ εµπεται χρησιµοποι ωντας τη συµ ατικ ηµ εθοδο CSMA/CA. Στη συν εχεια, αρχ ιζει τη λει- 20

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου τουργ ια ριπ ων εν εργειας και ολαταακ ολουθα πακ ετα εκπ εµπονται µε χρ ηση του αλγορ ιθµου ριπ ων εν εργειας. Οκ οµ ος i χρησιµοποιε ιτοa i για να σχηµατ ισει την ακολουθ ια ριπ ων εν εργειας κ αθε φ ορα που διαθ ετει πακ ετο προς εκποµπ η. Οπως και στον ορισµ ο του αλγορ ιθµου CSMA/CA του προτ υπου ΙΕΕΕ 802.11, ενας κ οµ ος αρχ ιζει την προσπ αθεια του να στε ιλει το πακ ετο του εκπ εµποντας την ακολουθ ια του, µ ονο οταν το µ εσο εχει µε ινει ανενεργ ο γιαπερ ιοδο ιση η µεγαλ υτερη του DIFS. Η ακολουθ ια σχηµατ ιζεται µε την εκποµπ η µιας αρχικ ης ριπ ης εν εργειας, γιαναδηλωθε ι οτι τουλ αχιστον ενας κ οµ ος απαιτε ι τηχρ ηση του καναλιο υ και για να καλ εσει τους κ οµ ους µε πακ ετα ετοιµα προς εκποµπ η ναλ α ουν µ ερος στον ανταγωνισµ ο. Ολοι οι κ οµ οι µπορο υν να ακο υσουν τη ριπ η εν εργειας και να συγχρον ισουν τις δικ ες τους, εκτ ος και αν εχουν καλ εσει περ ιοδο ανταγωνισµο υ ταυτ οχρονα, οπ οτε ε ιναι ηδη κατ αλληλα συγχρονισµ ενοι. Αµ εσως µετ α την εκποµπ η τηςπρ ωτης ριπ ης αρχικοπο ιησης µ ηκους t init, ακολουθε ι περ ιοδος ανταγωνισµο υ δεδοµ ενης χρονικ ης δι αρκειας. Κ αθε κ οµ ος µε ετοιµα προς εκποµπ η πακ ετα εκπ εµπει το τρ εχον επ ιπεδο προτεραι οτητ ας του, το οπο ιο υπολογ ιζεται, οπως αναφ ερθηκε παραπ ανω, σ υµφωνα µε τον παρακ ατω αλγ οριθµο: Το επ ιπεδο προτεραι οτητας µετατρ επεται σε δυαδικ ο αριθµ ο σταθερο υµ ηκους M, γεµ ιζοντας τα υπολοιπ οµενα πιο σηµαντικ α bits (MSBs) µε µηδενικ α, οπου 2 M 1 ε ιναι ο µ εγιστος αριθµ ος κ οµ ων στο δ ικτυο. Ο αριθµ ος δια αζεται bit προς bit, αρχ ιζοντας απ ο το πιο σηµαντικ ο. Κ αθε φορ α που δια αζεται ενα 1, οκ οµ ος εκπ εµπει µια ριπ ηεν εργειας µ ηκους 21

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου t slot. Κ αθε φορ α που δια αζεται ενα 0, οκ οµ ος ακο υει το καν αλι για χρ ονο t slot και αν λ α ει ριπ η εν εργειας απ ο αλλο κ οµ ο εγκαταλε ιπει την περ ιοδο ανταγωνισµο υ, παραδ ιδοντας τα δικαι ωµατα πρ οσ ασ ης του. Επ ισης ρυθµ ιζει το NAV του, ωστε να δε ιχνει στο τ ελος της περι οδου ανταγωνισµο υ. CONTENTION PERIOD NODE A PRIORITY LEVEL t init t slot t slot t slot t slot t slot t slot 0 1 1 0 0 1 ACTION Node A abandons contention CARRIER SENSE NODE B PRIORITY LEVEL NAV 0 1 1 0 1 0 CHANNEL BUSY ACTION CARRIER SENSE PACKET NODE C PRIORITY LEVEL 0 0 1 1 1 1 ACTION CARRIER SENSE Node C abandons contention NAV CHANNEL BUSY Σχ ηµα 4: Ανταγωνισµ ος µεταξ υ τρι ων κ οµ ων Στο σχ ηµα 4 παρουσι αζεται ενας ανταγωνισµ ος σ υµφωνα µε τον αλγ οριθµο ριπ ων εν εργειας µεταξ υτρι ων κ οµ ων. Απ ο την τελευτα ια εκποµπ ητουκ οµ ου Α και µετ α εχουν µεταδοθε ι 25 πακ ετα στο µ εσο, πρ αγµα που αντιστοιχε ι µεεπ ιπεδο προ- 22

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου τεραι οτητας 25 για τον κ οµ ο αυτ ο. Παροµο ιως, οι κ οµ οι B και C εχουν επ ιπεδα προτεραι οτητας 26 και 15 αντ ιστοιχα. Ηδι αρκεια του t slot θα πρ επει να ε ιναι τουλ αχιστον ιση µε τη µεγ ιστη καθυστ ερηση δι αδοσης εν ος πακ ετου στο δ ικτυο, ωστε οι κ οµ οι να µπορο υν να συγχρονιστο υν κατ αλληλα. Ο προαναφερθε ις αλγ οριθµος ε ιναι ικαν ος να παρ αγει µ ονο ενα νικητ η σεκ αθε περ ιοδο ανταγωνισµο υ, συγκεκριµ ενα τον κ οµ ο µε το µεγαλ υτερο επ ιπεδο προτεραι οτητας. Ολοι οι υπ ολοιποι ανταγωνιζ οµενοι κ οµ οι εγκαταλε ιπουν τη διαδικασ ια και σταµατο υν την εκποµπ η περαιτ ερω ριπ ων εν εργειας, µ ολις ακο υσουν µια ριπ ηαπ ο αλλο κοµ ο κατ ατηδι αρκεια των διαστηµ ατων λ ηψης τους. Το υψηλ οτερο επ ιπεδο προτεραι οτητας αντιστοιχε ι σε ενα δυαδικ ο αριθµ ο που εχει το µεγαλ υτερο πλ ηθος περισσ οτερο σηµαντικ ων ψηφ ιων (MSBs) κατειληµµ ενα απ ο µον αδες, σε σχ εση µε τα χαµηλ οτερα επ ιπεδα. Στο τ ελος της περι οδου ανταγωνισµο υ, ο εναποµε ινων κ οµ ος αρχ ιζει την εκποµπ η του πακ ετου του. εν απαιτο υνται πακ ετα επι ε α ιωσης για τον ελεγχο της υπαρξης σ υγκρουσης. Για να εξασφαλιστε ι οτι η µ εθοδος αυτ η θα λειτουργε ισωστ ασεκ αθε περ ιπτωση, η εκποµπ η της ριπ ης αρχικοπο ιησης αναγκ αζει τους µη ανταγωνιζ οµενους κ οµ ους να θ εσουν το δι ανυσµα κατ αληψης του δικτ υου (NAV) τους, ωστε να δε ιχνει στο τ ελος της περι οδου ανταγωνισµο υ. Αυτ ο σηµα ινει οτι, ανεξ αρτητα µε το τι λαµ ανουν. θεωρο υν το καν αλι κατειληµµ ενο για χρ ονο ισο µε t init + M t slot. Αν ενας κ οµ ος εχει πακ ετο ετοιµο προς εκποµπ η µετ α την εναρξη της περι οδου ανταγωνισµο υ, δεν επιτρ επεται να συµµετ ασχει και πρ επει να περιµ ενει µ εχρι την επ οµενη περ ιοδο. 23

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου Η προ π οθεση οτι ολοι οι κ οµ οι µπορο υν να λ α ουν τις εκποµπ ες των υπολο ιπων, το οπο ιο ισχ υει για δ ικτυα εν ος hop, ε ιναι αρκετ ο γιαναεξασφαλ ισει οτι δε θα συµ α ινουν ποτ ε συγκρο υσεις. Παρ ολαυτ α, αν για οποιονδ ηποτε λ ογο ο ανταγωνισµ ος δε δ ωσει µοναδικ ο νικητ η η λ ογω παρεµ ολ ων απ ο εξωτερικ ες πηγ ες, κ αποια πακ ετα θα µπορο υσαν να χαθο υν. Για την αποφυγ η αυτο υ εισ αγουµε στον αλγ οριθµο τη χρ ηση πακ ετων αρνητικ ης επι ε α ιωσης. Στην περ ιπτωση της παρεµ ολ ης, ο παραλ ηπτης του πακ ετου θα ανιχνε υσει λ αθος στο CRC του πακ ετου και θα αναλ α ει να στε ιλει µετ α απ ο χρ ονο ισο µε SIFS ενα πακ ετο αρνητικ ης επι ε α ιωσης. Ο αποστολ εας αναλαµ ανει στη συν εχεια να ξαναστε ιλει το πακ ετο µετ α απ ο π αροδο χρ ονου SIFS, παρακ αµπτοντας προς στιγµ ην τον αλγ οριθµο ανταγωνισµο υ. Η λειτουργ ια του κ οµ ου µε τον αλγ οριθµο ριπ ων εν εργειας συνεχ ιζεται κανονικ ααπ ο εκε ι καιπ ερα. Στην περ ιπτωση αποτυχ ιας του µηχανισµο υ ανταγωνισµο υ, τουλ αχιστον ενας κ οµ ος θα αναγνωρ ισει οτι δ υο ηπερισσ οτερα πακ ετα συγκρο υστηκαν, µιας και ολοι τους παρακολουθο υν το µ εσο και ελ εγχουν την επικεφαλ ιδα κ αθε πακ ετου. Οι κ οµ- οι που αν ιχνευσαν τη σ υγκρουση αναλαµ ανουν να στε ιλουν µετ ααπ οχρ ονο SIFS µ ια αλληλουχ ια ενεργειακ ων ριπ ων για να ειδοποι ησουν τους αποστολε ις των πακ ετων οτι η προηγο υµενη περ ιοδος ανταγωνισµο υ δεν παρ ηγαγε ενα µ ονο νικητ η. Αυτ ο σηµα ινει οτι εχουν χ ασει το µ ετρηµα κ αποιου πακ ετου κατ α την παρακολο υθηση του µ εσου. Στη συν εχεια, οι αποστολε ις στ ελνουν το επ οµενο πακ ετο τους χρησιµοποι ωντας τον παρακ ατω αλγ οριθµο για την εκποµπ ητουπρ ωτου πακ ετου, ωστε να επα- 24

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου νεισαχθο υν σωστ α στη λειτουργ ια ριπ ων εν εργειας. Στο σχ ηµα 5 παρουσι αζεται ο αλγ οριθµος για την εκποµπ η τουπρ ωτου πακ ετου κ αθε κ οµ ου. Το επ ιπεδο προτεραι οτητας N, το οπο ιο αντιστοιχε ισεµιαριπ ηεν εργειας που αποτελε ιται απ ο M συνεχ οµενα 1, χρησιµοποιε ιται απ ο ολους τους κ οµ- ους µ ονο για την εκποµπ η τουπρ ωτου τους πακ ετου. Ενας καινο υριος κ οµ ος που εισ αγεται στο δ ικτυο, καλε ι µιαπερ ιοδο ανταγωνισµο υ σ υµφωνα µε τους γενικο υς καν ονες, εκτ ος απ οτογεγον ος οτι λαµ ανει το ειδικ οεπ ιπεδο προτεραι οτητας N. Μιας και ο µ εγιστος αριθµ ος κ οµ ων που επιτρ επονται στο δ ικτυο ε ιναι 2 M 1, το επ ιπεδο N δε θα χρησιµοποιηθε ιποτ ευπ οκανονικ ες συνθ ηκες απ ο τους κ οµ ους που βρ ισκονται ηδη στο δ ικτυο. Τα παραπ ανω εχουν ως σκοπ οναεξασφαλ ισουν οτι τα τερµατικ α του δικτ υου δεν θα µπερδευτο υν αν ενα καινο υριο τερµατικ ο αρχ ισει την εκποµπ η του στην αρχ ηµιαςπερι οδου ανταγωνισµο υ. Επ ισης, ετσι δ ινεται προτεραι οτητα στους καινο υριους κ οµ ους, µιας και υπ ο συνθ ηκες υψηλο υ φορτ ιου θα επρεπε να περιµ ενουν για µεγ αλο χρονικ ο δι αστηµα για να αποκτ ησουν πρ οσ αση στο καν αλι. Αµ εσως µετ α τηνπερ ιοδο ανταγωνισµο υ, ον εος κ οµ ος χρησιµοποιε ι εναν αλγ οριθµο που µοι αζει µε τον EY-NPMA (Elimination Yield-Non Preemptive Multiple Access) αλγ οριθµο πολλαπλ ης πρ οσ ασης που χρησιµοποιε ιται στο HIPERLAN. Οκ οµ ος, εχοντας αποκλε ισει τους κ οµ ους που βρ ισκονται ηδη στο δ ικτυο απ ο τη διεκδ ικηση του καναλιο υ, εκπ εµπει µια επιπλ εον ριπ ηεν εργειας µ ηκους t slot ranf (), οπου ranf () ε ιναι µια οµοι οµορφη τυχα ια µετα λητ η. Χρησιµοποιο υµε τον ιδιο µηχανισµ οκαιτα ιδια ορια που χρησιµοποιο υνται στον υπολογισµ οτουτυχα ιου χρ ονου 25

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.1 Περιγραφ η του αλγορ ιθµου DIFS Contention period Colision avoidance t obs SIFS Node A Burst sequence Random burst DATA Node B gives up access rights ACK Node B Burst sequence Random burst Σχ ηµα 5: Χρονικ οδι αγραµµα του αλγορ ιθµου εκποµπ ης του πρ ωτου πακ ετου αναµον ης για το CSMA/CA. Στο τ ελος της ριπ ης τυχα ιου µ ηκους, οκ οµ ος παρακολουθε ιτοκαν αλι για t obs και ε ιτε σιωπε ιανλ α ει εκποµπ η αλλου κ οµ ου, ε ιτε εκπ ε- µπει το πακ ετο του. Ετσι, µει ωνεται περαιτ ερω η πιθαν οτητα σ υγκρουσης, στην περ ιπτωση που δ υο ηπερισσ οτεροι κ οµ οι εισ ελθουν ταυτ οχρονα στο δ ικτυο. Τ ελος, ο κ οµ ος περιµ ενει να λ α ει πλα ισιο επι ε α ιωσης, επαναλαµ ανοντας στην αντ ιθετη περ ιπτωση τη διαδικασ ια. Μετ α την επιτυχ ηλ ηψη και του πλαισ ιου επι ε α ιωσης, ο κ οµ ος ε ιναι ετοιµος να συνεχ ισει κανονικ αµετοναλγ οριθµο ριπ ων εν εργειας. Οαλγ οριθµος για την εκποµπ η τουπρ ωτου πακ ετου ε ιναι στη ουσ ια µια τροποποιηµ ενη εκδοση του CSMA/CA. Θα µπορο υσε να αντικατασταθε ι απ ο συµ ατικ ο CSMA/CA, ωστ οσο υπ αρχει π αντα η πιθαν οτητα ενας ν εος κ οµ ος να εκπ εµψει το πρ ωτο του πακ ετο κατ α τηδι αρκεια µιας περι οδου ανταγωνισµο υ, µπερδε υοντας ετσι κ αποιους κ οµ ους και αναγκ αζοντ ας τους να επανεισαχθο υν στο δ ικτυο. Παρ ολο που αυτ ο θα συν ε αινε σπ ανια σε κανονικ η λειτουργ ια, θα µπορο υσε να προκαλ εσει πρ ο ληµα σε συνθ ηκες υψηλο υ φορτ ιου. Οαλγ οριθµος αντικαθιστ α τηντυχα ια εκθετικ η αναµον η τουcsma/ca µε µια περ ιοδο ανταγωνισµο υ σταθερ ης χρονικ ης δι αρκειας. Για χαµηλ α φορτ ια στο δ ικτυο, οµ εσος χρ ονος αναµον ης ε ιναι συγκρ ισιµος µε τη δι αρκεια της περι οδου αντα- 26

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα γωνισµο υ. Αντ ιθετα, σε υψηλ α φορτ ια ο µ εσος χρ ονος αναµον ης και επ ισης ο αριθ- µ ος των συγκρο υσεων αυξ ανονται πολ υ, ανε αζοντας ετσι και το µ εσο χρ ονο καθυστ ερησης των πακ ετων. Τα παραπ ανω, σε συνδυασµ οµετηναν αγκη του αλγορ ιθµου CSMA/CA για πακ ετα επι ε α ιωσης, µει ωνουν το µ εγιστο φορτ ιο του συστ ηµατος και την απ οδοσ η του. 4.2 Αποτελ εσµατα Οαλγ οριθµος ριπ ων εν εργειας δοκιµ αστηκε µε προσοµο ιωση διακριτο υ χρ ονου γραµµ ενη σε C++. Θεωρ ηθηκε οτι ολοι οι κ οµ οι ακο υν τις εκποµπ ες των υπολο ιπων, ετσι ωστε η κ ινηση των κ οµ ων να µην εχει αντ ικτυπο στον αλγ οριθµο πρ οσ- ασης του καναλιο υ και να µη χρει αζεται να µοντελοποιηθε ι. Τα πακ ετα ε ιτε φτ ανουν απ ολυτα σωστ α στοδ εκτη, ε ιτε συγκρο υονται µε αλλα πακ ετα και καταστρ εφονται τελε ιως. Το φορτ ιο δεδοµ ενων κ αθε πακ ετου ε ιναι σταθερ ο, και το χρονικ ο δι αστηµα που µεσολα ε ι µεταξ υτης αφιξης δ υο συνεχ οµενων πακ ετων στον ιδιο πο- µπ ο ακολουθε ι κατανοµ η Poisson. Η µορφ ηκαιτοµ εγεθος των πλαισ ιων δεδοµ ενων και ελ εγχου ακολουθο υν ακρι ως το πρ οτυπο 802.11. Το υπ ο εξ εταση δ ικτυο ε ιναι µια εφαρµογ ητουdsss (Direct Sequence Spread Spectrum) µοντ ελου του προτ υπου, µε ελ αχιστες τροποποι ησεις ωστε να υποστηρ ιζεται ο αλγ οριθµος ριπ ων εν εργειας. Ο ρυθµ ος µετ αδοσης bit του καναλιο υε ιναι r c και κ αθε πακ ετο εχει επικεφαλ ιδες φυσικο υ (PHY) και MAC επιπ εδου t phy και h αντ ιστοιχα. Οµ εγιστος αριθµ ος κ οµ ων του δικτ υου επιλ εχτηκε να ε ιναι 63, κ ατι που αντιστοιχε ι σεm =6θυρ ιδες αν α περ ιοδο 27

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα ανταγωνισµο υ. Τ ελος, το ολικ ο φορτ ιο δ ινεται απ ο τησχ εση ρ = N b pkt r c, οπου N ε ιναι ο αριθµ ος των κ οµ ων και ο ρυθµ ος αφιξης των πακ ετων δεδοµ ενων σε κ αθε κ οµ ο. Ονοµαστικ ες τιµ ες για τα χαρακτηριστικ α του δικτ υου δ ινονται στον π ινακα 1. Π ινακας 1: Ονοµαστικ ες τιµ ες για τις παραµ ετρους του συστ ηµατος Παρ αµετρος Σ υµ ολο Ονοµαστικ ητιµ η Ρυθµ ος καναλιο υ r c 2 Mbits/s Short interframe spacing SIFS 30 μs DCF interframe spacing DIFS 50 μs ι αρκεια θυρ ιδας t slot 20 μs ι αρκεια αρχικ ης θυρ ιδας t init 20 μs PHY επικεφαλ ιδα αν α πακ ετο T phy 192 μs MAC επικεφαλ ιδα αν α πακ ετο h 34 bytes Φορτ ιο δεδοµ ενων αν α πακ ετο b pkt 825 bytes Bits επιπ εδου προτεραι οτητας M 6 slots 4.2.1 Σταθερ οτητα Συγκρ ινουµε την απ οδοση του αλγορ ιθµου µε αυτ η του συµ ατικο υ CSMA/CA του προτ υπου 802.11. Στο σχ ηµα 6 φα ινεται το µ εγιστο ολικ ο φορτ ιο που µπορε ι να υποστηριχθε ι απ ο τονκ αθε αλγ οριθµο, ως συν αρτηση του αριθµο υ τωνκ οµ ων στο δ ικτυο. Ε ιναι φανερ ο οτι εν ω ηα υξηση του αριθµο υ τωνκ οµ ων χειροτερε υει την απ οδοση του δικτ υου που χρησιµοποιε ι CSMA/CA, κ ατι τ ετοιο δε συµ α ινει και στο δ ικτυο που χρησιµοποιε ιτιςριπ ες εν εργειας. Το µ εγιστο ολικ ο φορτ ιο παραµ ενει ουσιαστικ α σταθερ ο, ανεξ αρτητα του αριθµο υ τωνκ οµ ων στο σ υστηµα. Πρ επει επ ι- 28

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα 1 0.9 Energy bursts CSMA/CA Total load 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Number of nodes Σχ ηµα 6: Μ εγιστο ολικ ο φορτ ιο ως προς αριθµ ο κ οµ ων για σταθερ η λειτουργ ια σης να σηµειωθε ι οτι σε καταστ ασεις φορτ ιου που πλησι αζουν το µ εγιστο,0.5-2%των πακ ετων απορρ ιπτονται απ ο τοναλγ οριθµο CSMA/CA, αφο υ εχουν φτ ασει το οριο επανεκποµπ ων που τ ιθεται απ ο αυτ ον. Απ ο την αλλη µερι α,, οαλγ οριθµος ριπ ων εν εργειας δεν απορρ ιπτει ποτ ε πακ ετα, ακ οµα και σε καταστ ασεις οριακ α υψηλο υ φορτ ιου. 4.2.2 Καθυστερ ησεις πακ ετων Τα σχ ηµατα 7,8,9 και 10 απεικον ιζουν τη µ εση τιµ η καιτηντυπικ η απ οκλιση ως συν αρτηση του ολικο υ φορτ ιου, για δ υο ιδια δ ικτυα που χρησιµοποιο υν CSMA/CA και ενεργειακ ες ριπ ες αντ ιστοιχα. Τα αποτελ εσµατα αντιπροσωπε υουν προσοµοι ω- 29

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα 30 25 Energy bursts Avg delay Energy bursts Std deviation CSMA/CA Avg delay CSMA/CA Std deviation Packet delay (ms) 20 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Total load Σχ ηµα 7: Μ εση τιµ η και τυπικ ηαπ οκλιση των καθυστερ ησεων των πακ ετων ως προς το ολικ ο φορτ ιο για δ ικτυο αποτελο υµενο απ ο 10 κ οµ ους, b pkt = 825 bytes σεις εν ος αραιο υκαιεν ος πυκν οτερου απ ο αποψη αριθµο υκ οµ ων δικτ υου, δηλαδ η για 10 και 40 κ οµ ους αντ ιστοιχα. οκιµ ασαµε την απ οδοση του δικτ υου για πακ ετα µεγεθ ων 825 και 1500 bytes. Σε πολ υ χαµηλ α φορτ ια η απ οδοση του αλγορ ιθµου ριπ ων εν εργειας ε ιναι ελ αχιστα χειρ οτερη απ οαυτ ητουcsma/ca. Το πρ ωτο αποδ ιδει ωστ οσο σε µεσα ια και υψηλ α φορτ ια σηµαντικ ακαλ υτερα, ξεπερν ωντας ακ οµα και το µ εγιστο οριο φορτ ιου του CSMA/CA. Το µ εγεθος του δικτ υου ε ιναι επ ισης ενας παρ αγοντας που επηρε αζει σηµαντικ α τη λειτουργ ια του δικτ υου που βασ ιζεται στο CSMA/CA, εφ οσον η τυχαι- 30

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα 30 25 Energy bursts Avg delay Energy bursts Std deviation CSMA/CA Avg delay CSMA/CA Std deviation 20 Total load 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Packet delay (ms) Σχ ηµα 8: Μ εση τιµ η και τυπικ ηαπ οκλιση των καθυστερ ησεων των πακ ετων ως προς το ολικ ο φορτ ιο για δ ικτυο αποτελο υµενο απ ο 40 κ οµ ους, b pkt = 825 bytes οτητα του αλγορ ιθµου επανεκποµπ ης γ ινεται πιο εµφαν ης οσο περισσ οτεροι κ οµ οι προσπαθο υν να αποκτ ησουν πρ οσ αση στο µ εσο. Μιας και ο µ εγιστος αριθµ ος θυρ ιδων για το αρχικ ο παρ αθυρο ανταγωνισµο υε ιναι δεδοµ ενος, ε ιναι φανερ ο οτι, προσθ ετοντας περισσ οτερους κ οµ ους στο δ ικτυο, αυξ ανει η πιθαν οτητα σ υγκρουσης. Η α υξηση στο µ εσο αριθµ ο συγκρο υσεων, σε συνδυασµ οµετηνα υξηση του µ εσου χρ ονου αναµον ης, οδηγε ι σεµεγαλ υτερες µ εσες καθυστερ ησεις πακ ετων και µικρ οτερο µ εγιστο ολικ ο φορτ ιο. Στον αλγ οριθµο ενεργειακ ων ριπ ων αντ ιθετα, ο αριθµ ος των κ οµ ων επηρε αζει πολ υλιγ οτερο τη λειτουργ ια του δικτ υου. Το γεγον ος οτι ο αλγ ο- 31

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα 30 25 Energy bursts Avg delay Energy bursts Std deviation CSMA/CA Avg delay CSMA/CA Std deviation Packet delay (ms) 20 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Total load Σχ ηµα 9: Μ εση τιµ η και τυπικ ηαπ οκλιση των καθυστερ ησεων των πακ ετων ως προς το ολικ ο φορτ ιο για δ ικτυο αποτελο υµενο απ ο 10 κ οµ ους, b pkt = 1500 bytes ριθµος µηδεν ιζει την πιθαν οτητα συγκρο υσεων και οτι χρησιµοποιε ιπερι οδους ανταγωνισµο υ σταθερο υµ ηκους, βοηθ αει στο να διατηρε ι τα χαρακτηριστικ ατηςαπ οδοσης του δικτ υου σχεδ ον σταθερ α γιαπολλ ες τιµ ες ταυτ οχρονα ενεργ ων κ οµ ων. Η µ εση καθυστ ερηση πακ ετου εξαρτ αται κυρ ιως απ ο τοναριθµ ο M των θυρ ιδων αν α περ ιοδο ανταγωνισµο υ, δηλαδ η στοµ εγιστο αριθµ ο κ οµ ων του δικτ υου. Ετσι, η επιλογ ηεν ος µ εγιστου αριθµο υ 2 5 1=31ταυτ οχρονα ενεργ ων κ οµ ων, θα προκαλο υσε µικρ οτερες καθυστερ ησεις στο ιδιο δ ικτυο. Ηα υξηση στο µ ηκος πακ ετου b pkt εχει παρ οµοια αποτελ εσµατα και στους δ υο 32

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.2 Αποτελ εσµατα 30 25 Energy bursts Avg delay Energy bursts Std deviation CSMA/CA Avg delay CSMA/CA Std deviation Packet delay (ms) 20 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Total load Σχ ηµα 10: Μ εση τιµ η και τυπικ η απ οκλιση των καθυστερ ησεων των πακ ετων ως προς το ολικ ο φορτ ιο για δ ικτυο αποτελο υµενο απ ο 40 κ οµ ους, b pkt = 1500 bytes αλγ οριθµους, οσον αφορ α τοµ εγιστο ολικ ο φορτ ιο στο δ ικτυο. Μιαςκαιοικεφαλ ιδες των πακ ετων ε ιναι σταθερο υ µ ηκους, α υξηση του ωφ ελιµου φορτ ιου δεδοµ ενων οδηγε ιστηνκαλ υτερη εκµετ αλλευση του µ εσου. Παρ ολ αυτ α, οταν η πιθαν οτητα συγκρο υσεων ε ιναι µεγ αλη, οπως συµ α ινει στο CSMA/CA σε καταστ ασεις υψηλο υ φορτ ιου, τα πλεονεκτ ηµατα της χρ ησης µεγ αλων πακ ετων χ ανονται. Μια και τα τερ- µατικ α αν ιχνευσης φ εροντος εκπ εµπουν ολ οκληρα τα πακ ετα ακ οµα και στη περ ιπτωση σ υγκρουσης, µπορο υµε να συµπερ ανουµε οτι ο αλγ οριθµος που τις αποκλε ιει µπορε ινακ ανει καλ υτερη χρ ηση του χρ ονου εκποµπ ης για τον ιδιο λ ογο µ ηκους επι- 33

4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΤΟ CSMA 4.3 Συµπερ ασµατα κεφαλ ιδας προς φορτ ιο πακ ετου. 4.3 Συµπερ ασµατα Βρ εθηκε οτι ο αλγ οριθµος ριπ ων εν εργειας διατηρε ι τηµ εση καθυστ ερηση πακ ετου αποδεκτ ηγιαµεγ αλο ε υρος συνθηκ ων και φορτ ιου απ οτι το CSMA/CA, πρ αγµα που επιτρ επει, µε προσεκτικ ο σχεδιασµ ο του συστ ηµατος ακ οµα, και τη συνεπ η εκποµπ η πακ ετων πραγµατικο υχρ ονου. Επ ισης, προσφ ερει µεγαλ υτερο µ εγιστο ολικ ο φορτ ιο, εν ω παραµ ενει ουσιαστικ αανεπηρ εαστος απ οτοναριθµ ο των ενεργ ων κ οµ- ων στο δ ικτυο. Επ ισης, οαλγ οριθµος αυτ ος µπορε ι να ενσωµατωθε ι στιςυπ αρχουσες εφαρµογ ες της DCF του προτ υπου 802.11 της IEEE, χωρ ις αλλαγ ες στο φυσικ ο (PHY) επ ιπεδο. Τα χαρακτηριστικ α απ οδοσης οπως και η σχετικ η απλ οτητ α του, υποδεικν υουν οτι ε ιναι κατ αλληλος για πυκν α και περιορισµ ενα στο χ ωρο δ ικτυα ad hoc. 34