Αλγόριθμοι δρομολόγησης πολλαπλών κριτηρίων και η απόδοση τους σε ad-hoc δίκτυα

• Main Author: Κόκκινος, Παναγιώτης
• Other Authors: Βαρβαρίγος, Εμμανουήλ
• Language: gr
• Published: 2007
• Subjects: Ad-hoc δίκτυα; Αλγόριθμοι δρομολόγησης πολλαπλών κριτηρίων; Ενέργεια; Χωρητικότητα; 004.6; Ad-hoc networks; Routing algorithms; Multicost; Energy; Capacity
• Online Access: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/535

Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε το πρόβλημα της δρομολόγησης σε δίκτυα ad-hoc, όπου οι κόμβοι είναι ακίνητοι και έχουν πεπερασμένα αλλά επαναφορτιζόμενα ενεργειακά αποθέματα. Αρχικά μελετάμε σε θεωρητική βάση τους ενεργειακούς και χωρητικούς περιορισμούς. Ενεργειακοί είναι οι περιορισμοί που οφείλονται στην μικρή ενεργειακή αυτοτέλεια των κόμβων, ενώ οι χωρητικοί περιορισμοί οφείλονται στην περιορισμένη χωρητικότητα του ασύρματου μέσου και στην παρεμβολή. Συγκεκριμένα εξετάζουμε πώς ορισμένα δικτυακά χαρακτηριστικά επηρεάζουν την απόδοση του δικτύου. Τέτοια δικτυακά χαρακτηριστικά είναι η πυκνότητα των κόμβων του δικτύου, η φυσική απόσταση τους, η ακτίνα μετάδοσης τους κ.α. Εξετάζουμε διαφόρων ειδών δίκτυα και σε γενικές γραμμές αποδεικνύουμε ότι η ενέργεια είναι ο κρίσιμος πόρος σε δίκτυα τα οποία είναι αραιά ή οι κόμβοι τους έχουν μικρό ρυθμό επαναφόρτισης της ενέργειας ή μεγάλη ακτίνα μετάδοσης. Στην αντίθετη περίπτωση η απόδοση των δικτύων περιορίζεται από την χωρητικότητα και την παρεμβολή. Επιπλέον προτείνουμε και υλοποιούμε έναν ενεργειακά-αποδοτικό αλγόριθμο δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη, όπου ένα διάνυσμα από παραμέτρους, εν’αντιθέσει με μία μόνο παράμετρο, ανατίθεται σε κάθε σύνδεσμο του δικτύου. Σε κάθε ανακαλυπτόμενη διαδρομή ανατίθεται ομοίως ένα διάνυσμα παραμέτρων, που προκύπτει από τα αντίστοιχα διανύσματα των συνδέσμων της διαδρομής. Οι παράμετροι που χρησιμοποιούμε είναι ο αριθμός των συνδέσμων της διαδρομής, η υπολειπόμενη ενέργεια και η ισχύς μετάδοσης. Ο αλγόριθμος αυτός συγκρίνεται με τον αλγόριθμο ελάχιστου-μήκους διαδρομής, για την επίλυση του προβλήματος του άπειρου χρονικού ορίζοντα. Στο πρόβλημα του άπειρου χρονικά ορίζοντα, ενέργεια και νέα πακέτα δεδομένων δημιουργούνται συνεχώς σε κάθε κόμβο του δικτύου. Στα πειράματα που εκτελέσαμε μας ενδιαφέρει να υπολογίσουμε την μέγιστη πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων pmax στους κόμβους, η οποία επιτρέπει στο δίκτυο μας να παραμένει ευσταθές. Ένα δίκτυο χαρακτηρίζεται ευσταθές όταν η εισερχόμενη κίνηση εξυπηρετείται από το δίκτυο με μικρή μέση καθυστέρηση παράδοσης αλλά και μεγάλο ποσοστό επιτυχούς παράδοσης των πακέτων δεδομένων στους προορισμούς τους. Όταν μία από αυτές τις συνθήκες δεν ισχύει τότε θεωρούμε ότι το δίκτυο είναι ασταθές και δεν μας ενδιαφέρει περαιτέρω η μελέτη του. Ουσιαστικά η μέγιστη πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων pmax είναι η μέγιστη απόδοση του δικτύου μας. Η μέση καθυστέρηση παράδοσης των πακέτων δεδομένων ορίζεται ως ο μέσος χρόνος μεταξύ της δημιουργίας ενός πακέτου στον κόμβο-πηγή και της λήψης του πακέτου στον κόμβο-προορισμού. Το ποσοστό της επιτυχούς παράδοσης των πακέτων δεδομένων ορίζεται σαν τον λόγο του αριθμού των πακέτων που παρελήφθησαν επιτυχώς από τους κόμβους-προορισμού προς τον αριθμό των πακέτων που δημιουργήθηκαν στους κόμβους-πηγής. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων μας δοκιμάζουμε διάφορες πιθανότητες δημιουργίας πακέτων δεδομένων p και διάφορους ρυθμούς επαναφόρτισης των κόμβων X. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων μας παρατηρούμε ότι ο ενεργειακά-αποδοτικός αλγόριθμος δρομολόγησης με πολλαπλά κόστη υπερτερεί του αλγορίθμου ελάχιστου-μήκους διαδρομής, πετυχαίνοντας όταν το δίκτυο είναι ενεργειακά περιορισμένο, μέγιστη πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων pmax σχεδόν διπλάσια από αυτή που πετυχαίνει ο ελάχιστου-μήκους διαδρομής αλγόριθμος. Ακόμα παρατηρούμε ότι η μέση καθυστέρηση καθώς και το ποσοστό επιτυχούς παράδοσης των πακέτων δεδομένων παρουσιάζουν καλύτερα αποτελέσματα με την χρήση του ενεργειακά-αποδοτικού αλγορίθμου. Επιπλέον παρατηρούμε ότι η μέση καθυστέρηση αυξάνει πολύ απότομα σε σχέση με την πιθανότητα δημιουργίας πακέτων δεδομένων p, όταν το δίκτυο γίνεται ασταθές λόγο των ενεργειακών περιορισμών. Αντίθετα η αύξηση αυτή είναι πολύ πιο ομαλή, όταν το δίκτυο γίνεται ασταθές λόγο των χωρητικών περιορισμών. === In our thesis we examine the problem of routing in ad-hoc networks, where the nodes are stationary and have limited but rechargeable energy reserves. Initially we study theoretically, the energy and the capacity constraints. The energy constraints are the result of the limited energy reserves of the nodes, while the capacity constraints are the result of the limited capacity and of the interference in the wireless medium. In our theoretically study we examine how the various network characteristics, influence the network performance. Such network characteristics are the nodes density, their distance, the transmission radius etc. We examine various network topologies and in every case we prove that energy is a vital resource in networks which are sparsely or where the nodes have small recharge rate or big transmission radius. In every other case the performance of a network is constrained by the capacity and the interference. Furthermore we propose and implement an energy-aware multicost routing algorithm, where a vector of parameters, instead of just one parameter, is assigned to each link of the network. In the same way in every discovered path, a vector of parameters is assigned. This vector is calculated using the vectors of the links from which the path consists of. The parameters used are the hops number, the residual energy and the transmission power. The proposed algorithm is compared with the minimum-hop algorithm, under the infinite time horizon problem. In this problem energy and data packets are constantly created in every node of the network. In our experiments we are interested in finding the maximum packet generation probability pmax in the nodes, under which the network remains stable. A network is characterized as stable when the incoming traffic is served by the network with small average delivery delay and big successful delivery ratio, of the packets in their destinations. When one of these conditions doesn’t hold, then we assume that the network is unstable and we do not study it anymore. The maximum packet generation probability pmax is in fact the maximum throughput of the network. The average delivery delay is defined as the average time between the creation of a data packet in the source-node and the reception of the packet in the destination-node. The successful delivery ratio is defined as the ratio of the number of packets successfully received by their destinations by the number of packets created in the source-nodes. During our experiments we tried various packet generation probabilities p and recharge rates at the nodes X. From the results of ours experiments we observe that the energy-aware multicost routing algorithm outperforms the minimum-hop algorithm. Specifically when the network is energy constrained, the maximum packet generation probability pmax is almost double as the one achieved by the minimum-hop algorithm. Furthermore the average delivery delay and the successful delivery ratio present better results using the energy-aware algorithm. Also we generally observe that the average delivery delay increases suddenly as the packet generation probability p increases, when the network becomes unstable because of the energy constraints. On the other hand the increase in the average delivery delay is much more normal, when the network becomes unstable because of the capacity constraints.