Ενσωμάτωση της πολυαλματικής επικοινωνίας μικρής εμβέλειας (εκτεταμένο μοντέλο ασύρματου προσωπικού δικτύου) σε τοπικά ασύρματα δίκτυα με σταθερή υποδομή

Abstract

This thesis is focused on the efficiency of data dissemination in environments where there is great need for bandwidth or/and connectivity is not guaranteed. At first, the employment of the short-range, multi-hop, ad hoc networking paradigm in traditional Wireless Local Area networking paradigm is studied. A novel architecture for the overall hybrid system is proposed and explored both analytically and through simulations. Besides, data dissemination protocols introduced within a Delay Tolerant Networking (DTN) framework are examined in terms of the delivery delay they achieve, the overhead they waste and their sensitivity to the degree of the nodes’ cooperation. More specifically, in Chapter 1, the basic challenges of the ad hoc networking paradigm are addressed; the most known routing protocols for the ad hoc networks are discussed as well as the wireless technologies that may be used as the main or complementary means to employ the ad hoc networking principles are depicted. In Chapter 2, the issues arising from the introduction of short-range, low-power, multi-hop, ad hoc networking in cellular networks are presented. The weaknesses of the widely proposed replacement - in essence - of the pure cellular paradigm by a pure ad hoc one in Wireless Local Area Networks (WLANs), are discussed and illustrated through some simulation results. As it is clearly seen, the lifetime of short-range, multi-hop paths is rather short. However, in case the data rates that may be supported were high, those paths would be efficient, if suitably managed. To this end, the coexistence or integration of the cellular and the short-range, multi-hop, ad hoc networking paradigms is advocated, instead, and the notion of a dual mode of operation utilizing distinct frequency channels or bands is introduced in Chapter 3. In this environment, the ad hoc networking efficiency is engaged, as the co-existing cellular network helps mitigate inherent weaknesses of pure ad hoc networking. The Centralized Ad-Hoc Network Architecture (CANA) is proposed that aims at increasing substantially the capacity of traditional Wireless Local Area Networks (WLANs). It is based on a dual frequency system in which the operation in the original WLAN frequency supports the centralization of some of the traditionally distributed and problematic ad hoc functionalities enabled at the new frequency; higher rate, shorter-range, peer-to-peer and multi-hop transmissions are possible at the new frequency, resulting in a significant increase of the WLAN capacity. In order to take advantage of the extra capacity, modifications are defined and described by exploring the HiperLAN/2 standard. The gain of the induced dual mode of operation depends on several parameters that define the performance of CANA. To investigate the potential of CANA in supporting high-rate applications and offloading traditional WLANs in hotspots, some relevant quality metrics have been considered, analytical expressions have been derived and simulations have been conducted. Multi-hop paths (beyond two hops) can be - in principle - short-living in a dynamic environment of high user mobility. Results suggest, though, that the mean path lifetime is such that it allows for a large amount of information exchange under the very high transmission rates that are feasible in the 60 GHz frequency band at low overhead, even over multi-hop paths or in case mobility is high. The coordinated coexistence of WLANs and WPANs in a dual-mode network, which is expected to increase the overall system performance is studied in Chapter 4, by introducing a new, analytically tractable model capturing in a combined manner both the low-range communication channel behavior and the peculiar user mobility behavior in a Wireless Personal Area Network (WPAN). It is shown that the system may be effective when node mobility is low and the traffic load among the nodes is high. The corresponding upper and lower bounds on mobility and traffic are also analytically derived. Simulation results for a variety of scenarios support the claims and expectations of the aforementioned analysis and demonstrate that performance improvement is possible when WLANs and WPANs coexist and cooperate in a network. In Chapter 5, an equivalent problem is studied. Instead of the efficiency of the short-living, short-range, multi-hop paths, data dissemination in a Delay Tolerant Network (DTN) environment (where connectivity between two nodes is not guaranteed) is explored. The performance of the two-hop message spreading mechanism is examined within a framework where differentiation on the characteristics between the source and the intermediate nodes - either intentionally (adjusting transmission range, changing mobility parameters, misbehaving), or unintentionally (buffer or antenna limitations) - could exist. Analytical expressions for the message delivery ratio as well as the number of transmissions and consumed energy are derived. An approximation for the delivery ratio is also introduced that fairly accurately captures the performance of the two-hop relay algorithm. It is shown that the consumed energy or needed transmissions after the delivery of the message might be significant. In order to limit the unnecessary transmissions, even a simple message delivery notification procedure is shown to be a valuable mechanism when the number of copies to be spread in the network is high. What is more, the effects of node cooperation (or lack of it) are explored for three well-known routing algorithms proposed for DTNs with respect to the message delivery delay and the transmission overhead incurred until message delivery or the termination of the message spreading process. The results show that the sensitivity of the algorithms to the cooperation degree can be high, to the point of making them inferior to algorithms they typically outperform under a fully cooperative environment. Finally, it is demonstrated how a simple mechanism that incorporates the cooperation degree can help improve effectiveness.

Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στην αποδοτικότητα της διάδοσης δεδομένων σε περιβάλλοντα όπου υπάρχει μεγάλη ανάγκη για εύρος ζώνης ή/και η συνδεσιμότητα ανάμεσα σε δύο κόμβους δεν είναι εγγυημένη. Εν πρώτοις, μελετάται η εφαρμογή του παραδείγματος των κατά-περίπτωση, πολυαλματικών, μικρής εμβέλειας δικτύων στα παραδοσιακά τοπικά ασύρματα δίκτυα. Μία νέα αρχιτεκτονική για ένα υβριδικό σύστημα προτείνεται το οποίο και εξετάζεται τόσο αναλυτικά όσο και με την βοήθεια προσομοιώσεων. Επίσης, πρωτόκολλα διάδοσης δεδομένων που έχουν προταθεί στα πλαίσια ενός περιβάλλοντος ανεκτικού σε καθυστερήσεις μελετώνται σε σχέση με την καθυστέρηση παράδοσης που πετυχαίνουν, το πλεονάζον φορτίο που σπαταλούν καθώς και την ευαισθησία τους στον βαθμό συνεργασίας των κόμβων του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1 αναφέρονται οι βασικές προκλήσεις των κατά περίπτωση δικτύων. Παρουσιάζονται οι πιο γνωστοί αλγόριθμοι για τα κατά-περίπτωση δίκτυα καθώς επίσης και οι ασύρματες τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως το κύριο ή συμπληρωματικό μέσο για την εφαρμογή αυτών. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα θέματα που προκύπτουν από την εισαγωγή των πολυαλματικών, μικρής εμβέλειας, κατά-περίπτωση δικτύων στο μοντέλο των κυψελωτών δικτύων. Οι αδυναμίες της αντικατάστασης - στην ουσία - του καθαρού κυψελωτού παραδείγματος από αυτό των κατά-περίπτωση δικτύων συζητιούνται και διαφαίνονται μέσω προσομοιώσεων. Όπως μπορεί να φανεί, η διάρκεια ζωής των μικρής εμβέλειας, πολυαλματικών μονοπατιών είναι σχετικά χαμηλή. Παρόλα αυτά, στην περίπτωση που οι επιτεύξιμοι ρυθμοί δεδομένων είναι υψηλοί, αυτά τα μονοπάτια θα μπορούσαν να αποδειχθούν αποδοτικά, αν διαχειριστούν κατάλληλα. Για αυτόν τον σκοπό, η συνύπαρξη ή ενσωμάτωση του κυψελωτού παραδείγματος με αυτό των μικρής εμβέλειας, πολυαλματικών, κατά-περίπτωση δικτύων υποστηρίζεται, καθώς και η ιδέα ενός συστήματος διπλής λειτουργίας που χρησιμοποιεί ξεχωριστές ζώνες συχνοτήτων εισάγεται στο Κεφάλαιο 3. Σε ένα τέτοιο περιβάλλον, η αποδοτικότητα των κατά-περίπτωση δικτύων υιοθετείται καθώς το συνυπάρχον δίκτυο με σταθερή υποδομή βοηθάει στην αντιμετώπιση των εγγενών αδυναμιών των πρώτων. Προτείνεται μία κεντρικοποιημένη αρχιτεκτονική υιοθέτησης του παραδείγματος των μικρής εμβέλειας, κατά-περίπτωση δικτύων (Centralized Ad-Hoc Network Architecture, CANA) που στοχεύει στην σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των παραδοσιακών τοπικών ασύρματων δικτύων με σταθερή υποδομή. Βασίζεται σε ένα σύστημα δύο συχνοτήτων όπου η λειτουργία στην αυθεντική συχνότητα του τοπικού δικτύου υποστηρίζει την κεντρικοποίηση κάποιων από τις παραδοσιακά κατανεμημένες και προβληματικές λειτουργίες των κατά-περίπτωση δικτύων που λαμβάνουν χώρα στη νέα συχνότητα. Μεταδόσεις υψηλού ρυθμού, μικρής εμβέλειας και πολλαπλών αλμάτων γίνονται δυνατές στη νέα συχνότητα, οδηγώντας σε μία σημαντική αύξηση της χωρητικότητας του ασύρματου τοπικού δικτύου. Προκειμένου να εκμεταλλευτεί κάποιος την επιπλέον διαθέσιμη χωρητικότητα, καθορίζονται αλλαγές οι οποίες και περιγράφονται μέσω της εξέτασης του προτύπου του HiperLAN/2. Το κέρδος του επιφερόμενου διπλού τρόπου λειτουργίας εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους που καθορίζουν την απόδοση της αρχιτεκτονικής CANA. Για την διερεύνηση των δυνατοτήτων της CANA όσον αφορά την υποστήριξη υψίρρυθμων εφαρμογών και την αποσυμφόρηση των παραδοσιακών τοπικών ασύρματων δικτύων σε «θερμά σημεία», θεωρούνται σχετικές μετρικές ποιότητας, εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις και παράγεται μία σειρά προσομοιώσεων. Τα πολυαλματικά μονοπάτια (πέραν των δύο αλμάτων) μπορεί να έχουν μικρή διάρκεια ζωής σε ένα δυναμικό περιβάλλον με μεγάλη κινητικότητα κόμβων. Τα αποτελέσματα δηλώνουν, παρόλα αυτά, ότι η μέση διάρκεια ζωής των μονοπατιών είναι τέτοια ώστε να επιτρέπεται η ανταλλαγή μεγάλου όγκου δεδομένων με μικρό κόστος πλεονάζοντος φορτίου που η προτεινόμενη αρχιτεκτονική εισάγει, ακόμη και στην περίπτωση πολυαλματικών μονοπατιών μικρής εμβέλειας ή όταν η κινητικότητα είναι υψηλή. Η συντονισμένη συνύπαρξη τοπικών και προσωπικών ασύρματων δικτύων σε ένα δίκτυο διπλού τρόπου λειτουργίας που οδηγεί στην αύξηση της συνολικής απόδοσης του συστήματος μελετάται στο Κεφάλαιο 4, με την εισαγωγή ενός νέου, αναλυτικού μοντέλου που εκφράζει με έναν συνδυασμένο τρόπο τόσο την συμπεριφορά του καναλιού επικοινωνίας μικρής εμβέλειας όσο και των χαρακτηριστικών της κινητικότητας των χρηστών σε ένα ασύρματο προσωπικό δίκτυο. Επιδεικνύεται ότι το σύστημα μπορεί να είναι αποδοτικό όταν η κινητικότητα είναι χαμηλή και ο όγκος δεδομένων που κινείται ανάμεσα στους χρήστες είναι μεγάλος. Τα αντίστοιχα άνω και κάτω όρια της κινητικότητας και του όγκου δεδομένων εξάγονται, επίσης, αναλυτικά. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για μία σειρά από διαφορετικά σενάρια επιβεβαιώνουν τους ισχυρισμούς της ανάλυσης και δείχνουν ότι η βελτίωση της απόδοσης όταν συνυπάρχουν τα δύο διαφορετικά μοντέλα δικτύου είναι εφικτή. Στο Κεφάλαιο 5, ένα ισοδύναμο πρόβλημα μελετάται. Εξετάζεται η διάδοση δεδομένων σε ένα περιβάλλον ανεκτικό στις καθυστερήσεις (Delay Tolerant Network, DTN) όπου η συνδεσιμότητα ανάμεσα σε δύο κόμβους δεν είναι εγγυημένη. Η απόδοση του αλγορίθμου two-hop ερευνάται σε ένα πλαίσιο εργασίας όπου μπορεί να υπάρξει η διαφοροποίηση στα χαρακτηριστικά της πηγής και των ενδιάμεσων κόμβων - είτε σκόπιμα (προσαρμογή ακτίνας εμβέλειας, αλλαγή παραμέτρων κινητικότητας, κακόβουλη συμπεριφορά) ή χωρίς πρόθεση (περιορισμοί στην κεραία ή την προσωρινή μνήμη). Εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις για το ποσοστό παράδοσης μηνύματος όπως και για τον αριθμό των μεταδόσεων και την καταναλισκόμενη ενέργεια. Επίσης, μία προσεγγιστική έκφραση για το ποσοστό παράδοσης εισάγεται η οποία απεικονίζει με καλή ακρίβεια την απόδοση του αλγορίθμου. Όπως φαίνεται, η ενέργεια που καταναλώνεται ή οι μεταδόσεις που γίνονται μετά την παράδοση ενός μηνύματος μπορεί να είναι σημαντικές. Προκειμένου να περιοριστούν οι μη αναγκαίες μεταδόσεις, ακόμη και ένας απλός μηχανισμός γνωστοποίησης της παράδοσης μπορεί να περιορίσει την επιπρόσθετη κατανάλωση πλεονάζοντος φορτίου, ιδίως όταν ο αριθμός των αντιγράφων προς μετάδοση στο δίκτυο είναι υψηλός. Επιπλέον, η επίδραση της συνεργασίας των κόμβων (ή η έλλειψη αυτής) διερευνάται για τρεις πολύ γνωστούς αλγορίθμους διάδοσης μηνυμάτων που έχουν προταθεί για DTNs σε σχέση με την καθυστέρηση παράδοσης του μηνύματος και το πλεονάζον φορτίο των μεταδόσεων που επιφέρουν ή τον τερματισμό της διεργασίας διάδοσης του μηνύματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ευαισθησία των αλγορίθμων στον βαθμό συνεργασίας μπορεί να είναι υψηλός, σε τέτοιο σημείο ώστε αλγόριθμοι που είναι πιο αποδοτικοί σε περιβάλλοντα πλήρους συνεργασίας από άλλους να γίνονται χειρότεροι από αυτούς στην περίπτωση μη συνεργάσιμων κόμβων. Τελικά, δείχνεται πως ακόμη κι ένας απλός μηχανισμός που λαμβάνει υπόψη του τον βαθμό συνεργασίας των κόμβων σε ένα δίκτυο μπορεί να συνεισφέρει στην βελτίωση της αποδοτικότητας των αλγορίθμων διάδοσης μηνυμάτων.