Performance enhancement on topology-transparent TDMA MAC policies for IoT environments
Authors: Δραγώνας Βασίλειος 
Published: August 2023

Ζούμε στην εποχή του Διαδικτύου των Πραγμάτων, όπου εκατομμύρια συσκευές διαφορετικών χαρακτηριστικών συνδέονται σε κάποιο δίκτυο και ο αριθμός αυτός αυξάνεται με γρήγορους ρυθμούς. Μερικά από αυτά τα δίκτυα αποτελούνται από κόμβους που χαρακτηρίζονται από υψηλή κινητικότητα και σε γεωγραφικές περιοχές όπου δεν υπάρχει κεντρική υποδομή για την υποστήριξη της λειτουργίας τους. Επομένως, οι συμμετέχοντες κόμβοι πρέπει να βασίζονται σε κατάλληλα πρωτόκολλα που θα τους επιτρέπουν να επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς να βασίζονται σε κεντρικό συντονισμό. Επιπλέον, οι εφαρμογές που εκτελούνται στους κόμβους μπορεί να είναι πολυάριθμες και με διαφορετικές, συχνά αντικρουόμενες, απαιτήσεις όσον αφορά την απόδοση του δικτύου. Προκειμένου το υποκείμενο δίκτυο να μπορεί να υποστηρίξει αυτές τις εφαρμογές, πρέπει να σχεδιαστούν και να εφαρμοστούν νέα πρωτόκολλα ελέγχου πρόσβασης μέσου, καθώς τα υπάρχοντα συχνά δεν μπορούν να ανταποκριθούν ικανοποιητικά στις απαιτήσεις τους. Μια κλάση πρωτοκόλλων που πιθανώς να είναι κατάλληλη για ορισμένες εφαρμογές είναι η κατηγορία πρωτοκόλλων TDMA διάφανων της τοπολογίας τα οποία, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, παραμένουν ανεπηρέαστα από αλλαγές τοπολογίας λόγω της κινητικότητας των κόμβων. Το κύριο πλεονέκτημά τους έγκειται στο γεγονός ότι όταν αλλάζει η γειτονιά ενός συγκεκριμένου κόμβου, δεν υπάρχει ανάγκη για εκ νέου υπολογισμό του συνόλου των χρονοθυρίδων στις οποίες επιτρέπoνται μεταδόσεις, εξαλείφοντας έτσι ένα σημαντικό μειονέκτημα των πρωτοκόλλων TDMA, ειδικά όταν αυτά υλοποιούνται σε κατανεμημένο περιβάλλον δικτύου. Ωστόσο, αυτό το πλεονέκτημα έρχεται με την απαίτηση να επιτρέπονται συγκρούσεις πακέτων μεταξύ των κόμβων, κάτι που συνήθως δεν συμβαίνει στα παραδοσιακά TDMA πρωτόκολλα. Επιπλέον, ένα άλλο μειονέκτημα αυτής της κατηγορίας πρωτοκόλλων, είναι η σχετικά χαμηλή ρυθμαπόδοση. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται μια μελέτη υφιστάμενων TDMA πολιτικών πρόσβασης μέσου διάφανων της τοπολογίας. Στη συνέχεια προτείνονται νέες πολιτικές που επεκτείνουν τις υπάρχουσες με στόχο τη βελτίωση της απόδοσής τους. Αρχικά, η Ντετερμινιστική Πολιτική, η πρώτη TDMA πολιτική διάφανη της τοπολογίας που προτάθηκε, εφαρμόζεται και αξιολογείται σε σενάρια δικτύων οχημάτων, προκειμένου να δειχθεί ότι τέτοιες πολιτικές είναι πράγματι κατάλληλες για δίκτυα όπου η τοπολογία τους αλλάζει με γρήγορους ρυθμούς. Πραγματοποιούνται συγκρίσεις μέσω προσομοιώσεων με μια άλλη πολιτική TDMA που έχει σχεδιαστεί ειδικά για δίκτυα οχημάτων, αλλά ακολουθεί μια πιο παραδοσιακή μέθοδο κατανομής χρονοθυρίδων σε κόμβους, δηλαδή λαμβάνοντας υπόψη τις χρονοθυρίδες στις οποίες εκπέμπουν οι γειτονικοί κόμβοι και επανυπολογίζοντας τα αντίστοιχα σύνολα με κατανεμημένο τρόπο όταν είναι απαραίτητο. Στη συνέχεια, προτείνονται δύο νέες πολιτικές που επεκτείνουν τις υπάρχουσες και στοχεύουν στη βελτίωση της απόδοσής τους, αλλά η καθεμία ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση. Η πρώτη προσέγγιση βασίζεται σε μια άλλη υπάρχουσα πολιτική TDMA διάφανη της τοπολογίας, την Πιθανοτική Πολιτική, η οποία επιτρέπει στους κόμβους να εκπέμπουν κατά τη διάρκεια όλων των μη ανατεθειμένων χρονικών θυρίδων (επιπλέον των χρονοθυρίδων που τους έχουν ανατεθεί) αλλά με πιθανότητα p. Στην προτεινόμενη πολιτική, οι πληροφορίες από την άμεση γειτονιά κάθε κόμβου χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό χρονοθυρίδων κατά τις οποίες, εάν λάβει χώρα μια μετάδοση, είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα προκύψει σύγκρουση πακέτων. Αυτή η πληροφορία αξιοποιείται με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε κόμβος να εκπέμπει τελικά με πιθανότητα μόνο σε ένα υποσύνολο των μη ανατεθειμένων χρονοθυρίδων αντί για όλες. Δείχνεται ότι η προτεινόμενη πολιτική παρουσιάζει βελτιώμένη απόδοση σε σύγκριση με αυτή της Πιθανοτικής Πολιτικής, ενώ ταυτόχρονα μεταδίδει λιγότερα μηνύματα συνολικά. Η δεύτερη προσέγγιση βασίζεται σε μια άλλη πολιτική TDMA διάφανη της τοπολογίας, την Προσαρμοστική Πολιτική, η οποία επιτρέπει στους κόμβους να μεταδίδουν σε οποιοδήποτε συγκεκριμένη μη ανατεθειμένη χρονοθυρίδα με πιθανότητα p=1, εφόσον η προηγούμενη μετάδοση κατά τη διάρκεια αυτής της χρονοθυρίδας ήταν επιτυχής και μέχρι να προκύψει κάποια αποτυχημένη. Στην προτεινόμενη πολιτική, κάθε κόμβος εκμεταλλεύεται ξανά πληροφορίες από τη γειτονιά του και χρησιμοποιεί μια επιλεγμένη μετρική δίκαιης μεταχείρισης ως ανατροφοδότηση με σκοπό την προσαρμογή της τιμής πιθανότητας μετάδοσης σε μη ανατεθειμένες χρονοθυρίδες. Η απόφαση για αυτήν την προσαρμογή βασίζεται στο κατά πόσο ο κόμβος αισθάνεται ότι έχει αντιμετωπιστεί δίκαια ή όχι, σε σύγκριση με τους γειτονικούς του κόμβους. Τέλος, παρουσιάζεται μια εφαρμογή της Ντετερμινιστικής Πολιτικής σε ένα πραγματικό δίκτυο που αποτελείται από συσκευές χαμηλού κόστους προκειμένου να αξιολογηθεί η δυνατότητα εφαρμογής παρόμοιων πολιτικών σε αντίστοιχα περιβάλλοντα. Παρουσιάζεται ότι, παρά τα πρόσθετα προβλήματα που εισάγονται από το μέσο μετάδοσης σε ένα δίκτυο χαμηλού κόστους, η εφαρμοζόμενη πολιτική λειτουργεί εντός των αναμενόμενων προδιαγραφών.