Ενσωμάτωση της πολυαλματικής επικοινωνίας μικρής εμβέλειας (εκτεταμένο μοντέλο ασύρματου προσωπικού δικτύου) σε τοπικά ασύρματα δίκτυα με σταθερή υποδομή
Authors: Βάιος Αθανάσιος 
Published: August 2021

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.