Optimizing initial synchronization time in IEEE802.15.4-TSCH networks
Authors: Καραλής Απόστολος 
Published: January 2022

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί το πρόβλημα του αρχικού συγχρονισμού στα δίκτυα που βασίζονται στο πρωτόκολλο IEEE802.15.4-TSCH. Το πρωτόκολλο αυτό, που εν συντομία καλείται TSCH, είναι ένα καινοτόμο πρωτόκολλο Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (Medium Access Control - MAC) που χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και πολύ υψηλή αξιοπιστία, δύο επιθυμητά χαρακτηριστικά σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Στο TSCH η επικοινωνία γίνεται βάσει προγράμματος, γεγονός που επιτρέπει στους κόμβους όταν δεν επικοινωνούν να μεταβαίνουν σε κατάσταση ύπνωσης (sleep mode), δηλαδή σε κατάσταση χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, ενώ ένας μηχανισμός αργής μεταπήδησης καναλιών χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση των εξωτερικών παρεμβολών. Με βάση το TSCH, ο IETF (Internet Engineering Task Force) αναπτύσσει την τεχνολογία 6TiSCH, που γεφυρώνει το TSCH με το IPv6, με απώτερο στόχο την παροχή μιας ανοιχτής λύσης για την πραγμάτωση του Βιομηχανικού Διαδικτύου των Πραγμάτων. Μια κρίσιμη διαδικασία για το σχηματισμό ενός δικτύου TSCH είναι η διαδικασία του αρχικού συγχρονισμού, σύμφωνα με την οποία για να μπορέσει ένας κόμβος να συνδεθεί σε ένα δίκτυο TSCH θα πρέπει πρώτα να συγχρονιστεί με αυτό. Κατά τη διαδικασία του αρχικού συγχρονισμού ο κόμβος σαρώνει τα διαθέσιμα ραδιοκανάλια μέχρι να λάβει από το επιθυμητό δίκτυο ένα ειδικό πλαίσιο που καλείται Enhanced Beacon (EB). Λόγω της χρήσης πολλαπλών ορθογώνιων καναλιών από το TSCH καθώς επίσης και του μηχανισμού μεταπήδησης καναλιών, η εύρεση ενός EB μπορεί να απαιτήσει σημαντικό χρόνο. Όσο περισσότερο διαρκεί η φάση του αρχικού συγχρονισμού τόσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ενέργειας του κόμβου, αφού ο κόμβος θα πρέπει να έχει διαρκώς τον δέκτη του ανοιχτό σε αυτήν τη φάση. Μια αυξημένη κατανάλωση ενέργειας μπορεί να είναι απαγορευτική για τη σύνδεση ενός κόμβου με πολύ αυστηρό όριο στη κατανάλωση ενέργειας, όπως για παράδειγμα ενός κόμβου που τροφοδοτείται από πυκνωτές που η ενέργειά τους είναι περιορισμένη και αναπληρώνεται περιστασιακά από κάποια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η ταχύτητα του αρχικού συγχρονισμού επηρεάζεται καθοριστικά από τον χρονοπρογραμματισμό των μεταδόσεων των EBs. Ένας μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης των EBs μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του χρόνου αρχικού συγχρονισμού. Ωστόσο, μια τέτοια αύξηση απαιτεί τυπικά τη δέσμευση επιπλέον επικοινωνιακών πόρων, μειώνοντας έτσι τους πόρους που είναι διαθέσιμοι για τη μετάδοση δεδομένων. Επιπλέον, οδηγεί στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας στους κόμβους που μεταδίδουν EBs. Εκτός από την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης των EBs, ο αποτελεσματικότερος προγραμματισμός των μεταδόσεων των EBs με κριτήριο την αποφυγή ή τον περιορισμό των συγκρούσεων κατά τη μετάδοσή τους μπορεί επίσης να συμβάλει στην επίτευξη μικρότερου χρόνου αρχικού συγχρονισμού. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα του αρχικού συγχρονισμού. Πρώτον, προτείνεται μια τεχνική βελτιστοποίησης, ονόματι Διαμέριση Διαφημιστικών Χρονοθυρίδων (Advertisement Timeslot Partitioning - ATP), που επιτρέπει την αύξηση του ρυθμού αποστολής των EBs χωρίς τη δέσμευση επιπλέον επικοινωνιακών πόρων. Η ιδέα πίσω από αυτήν την τεχνική πηγάζει από τη δυνατότητα βελτιστοποίησης της χρήσης του διαθέσιμου χρόνου μετάδοσης σε μια διαφημιστική χρονοθυρίδα, δηλαδή σε μια χρονοθυρίδα που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση EBs. Δεύτερον, προτείνεται μια τεχνική Προγραμματισμού Διαφημίσεων δίχως Συγκρούσεις (Collision-Free Advertisement Scheduling - CFAS) που επιτρέπει τη μετάδοση των διαφημίσεων του TSCH, ήτοι των EBs, δίχως συγκρούσεις. Η φιλοσοφία αυτής της τεχνικής είναι ότι οι κόμβοι μπορούν, ιδίως σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, να διαθέτουν μοναδικά αναγνωριστικά τα οποία είναι σε θέση να τα αξιοποιήσουν για να επιλέξουν αυτόνομα διαφορετικές χρονοθυρίδες και ραδιοκανάλια για τη μετάδοση των EBs. Τέλος, μελετάται η σχέση του χρόνου αρχικού συγχρονισμού και του χρόνου σάρωσης, δηλαδή του χρόνου που παραμένει ένας κόμβος σε ένα κανάλι καθώς σαρώνει τα διαθέσιμα κανάλια για την εύρεση ενός ΕΒ. Η μελέτη αυτή διεξάγεται στο πλαίσιο της ελάχιστης (αναγκαίας) διαμόρφωσης (ενός δικτύου) 6TiSCH που ορίστηκε σχετικά πρόσφατα από την ομώνυμη ομάδα εργασίας του IETF. Μέσω της εν λόγω μελέτης καταδεικνύεται η σημαντική επίδραση του χρόνου σάρωσης στον χρόνο αρχικού συγχρονισμού καθώς επίσης ορίζεται και η βέλτιστη τιμή του χρόνου σάρωσης στο πλαίσιο της ελάχιστης διαμόρφωσης 6TiSCH.