Προσαρμοζόμενα πρωτόκολλα για ασύρματα επικοινωνιακά συστήματα

Abstract

Συνοψίζοντας, στη Διατριβή αυτή παρουσιάστηκαν τρία προσαρμοζόμενα πρωτόκολλα για ασύρματα δίκτυα. Όπως συζητήθηκε, η προσαρμοστικότητα αφορά τον αριθμό των σταθμών του δικτύου, τη μορφή του προσφερόμενου φόρτου στο δίκτυο και την κατάσταση των ασυρμάτων συνδέσεων. Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιήθηκε μια εισαγωγή στη Διατριβή. Τα κύρια χαρακτηριστικά της ασύρματης μετάδοσης, τα οποία επηρεάζουν το σχεδίασμά πρωτοκόλλων MAC για ασύρματα τοπικά δίκτυα παρουσιάστηκαν. Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν οι κυριότερες τοπολογίες ασυρμάτων τοπικών δικτύων καθώς και τα κυριότερα MAC πρωτόκολλα για δίκτυα τέτοιας κατηγορίας. Το Κεφάλαιο 1 πραγματοποίησε επίσης εισαγωγή στα συστήματα εκπομπής πληροφορίας και έκλεισε με μια εισαγωγή στα μανθάνοντα αυτόματα, τα οποία είναι μηχανισμοί που έχουν βρει εφαρμογή σε συστήματα θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να αποκτήσουν γνώση σχετικά με την συμπεριφορά του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργούν. Το Κεφάλαιο 2 παρουσίασε το TRAP. Το TRAP υπερτερεί έναντι του υπάρχοντος πρωτοκόλλου RAP, το οποίο χρησιμοποιεί ένα σταθερό αριθμό τυχαίων διευθύνσεων ο οποίος οδηγεί σε μη αποδοτική λειτουργία σε περιπτώσεις πολλών ενεργών σταθμών. Αντίθετα, στο TRAP ο αριθμός των τυχαίων διευθύνσεων προσαρμόζεται ανάλογα με τον αριθμό των ενεργών σταθμών. Το TRAP χρησιμοποιεί ένα στάδιο ανταγωνισμού βασισμένο σε TDMA. Το μήκος του σταδίου ανταγωνισμού βασίζεται στον αριθμό των ενεργών σταθμών. Στην έναρξη κάθε κύκλου ψηφοφορίας, κάθε ενεργός κινητός σταθμός δηλώνει την ύπαρξή του στο σταθμό-βάση μέσω της μετάδοσης ενός σύντομου παλμού. Ο σταθμός-βάση χρησιμοποιεί το συνολικό λαμβανόμενο παλμό με σκοπό να αποκτήσει μια εκτίμηση του αριθμού των ενεργών σταθμών. Στη συνέχεια προγραμματίζει το στάδιο ανταγωνισμού έτσι ώστε να αποτελείται από έναν επαρκή αριθμό τυχαίων διευθύνσεων Ρ σε μορφή χρονικών σχισμών, ώστε οι ενεργοί σταθμοί να μπορούν να ανταγωνιστούν για πρόσβαση στο μέσο με λίγες συγκρούσεις. Στη συνέχεια μεταδίδει ένα πακέτο READY το οποίο μεταφέρει τον αριθμό Ρ στους ενεργούς κινητούς σταθμούς. Κάθε ενεργός κινητός σταθμός υπολογίζει μια τυχαία διεύθυνση στο διάστημα [0..(Ρ - 1)] και μεταδίδει την τυχαία διεύθυνση του στην αντίστοιχη χρονική σχισμή. Κατόπιν, ο σταθμός- βάση χρησιμοποιεί τις λαμβανόμενες τυχαίες διευθύνσεις για να επιλέξει τη σειρά που θα αποδοθεί άδεια εκπομπής στους κινητούς σταθμούς. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης που παρουσιάστηκαν αποκαλύπτουν την ανωτερότητα του TRAP έναντι του RAP σε μεσαίο και υψηλό φόρτο. Επιπλέον, η υλοποίηση του TRAP είναι πολύ πιο απλή από τις CDMA εκδόσεις του RAP, καθώς δε χρειάζεται επιπλέον υλικό για την ορθογώνια λήψη των τυχαίων διευθύνσεων. Η έρευνα που περιγράφεται στο Κεφάλαιο αυτό οδήγησε στις εργασίες [2, 6, 7], Το Κεφάλαιο 3 παρουσίασε το LEAP, ένα πρωτόκολλο MAC βασισμένο σε μανθάνοντα αυτόματα. Σύμφωνα με το προτεινόμενο πρωτόκολλο, ο κινητός σταθμός που έχει τη δικαιοδοσία να εκπέμψει επιλέγεται από το σταθμό-βάση με τη βοήθεια ενός μανθάνοντας αυτομάτου. Το μανθάνον αυτόματο χρησιμοποιεί την ανάδραση του δικτύου προκειμένου να ενημερωθεί η πιθανότητα επιλογής κάθε κινητού σταθμού. Η ανάδραση του δικτύου μεταβιβάζει στο αυτόματο πληροφορίες σχετικά με το είδος της κυκλοφορίας στο δίκτυο και την κατάστασης της ασύρματης σύνδεσης μεταξύ του σταθμού-βάση και των κινητών σταθμών. Αποδεικνύεται ότι ο αλγόριθμος εκμάθησης τείνει ασυμπτωτικά να αναθέσει σε κάθε σταθμό τμήμα του εύρους ζώνης ανάλογο προς τις ανάγκες του σταθμού. Το πρωτόκολλο επιτυγχάνει σημαντικά υψηλότερη απόδοση και χαμηλότερη καθυστέρηση έναντι των πρωτοκόλλων RAP και GRAP σε συνθήκες στις οποίες ο προσφερόμενος φόρτος στο δίκτυο είναι κατά ριπές. Τα βασικά χαρακτηριστικά του προτεινόμενου πρωτοκόλλου είναι τα ακόλουθα: α) Επιτυγχάνει υψηλή απόδοση, ακόμα και όταν ο προσφερόμενος φόρτος στο δίκτυο είναι κατά ριπές, β) Το πρωτόκολλο είναι αυτοπροσαρμοζόμενο. Κάθε σταθμός χρησιμοποιεί μέρος του εύρους ζώνης ανάλογο προς τις ανάγκες του. Επιπλέον, το πρωτόκολλο λαμβάνει ρητά υπόψη του την κατάσταση του ασύρματου μέσου μεταξύ του σταθμού-βάση και των κινητών σταθμών, σε μια προσπάθεια να αποτραπούν οι ενδεχομένως ανώφελες επιλογές σταθμού ο οποίος επικοινωνεί με τη βάση μέσω σύνδεσης με υψηλό ρυθμό σφαλμάτων, γ)είναι απλούστερο στην υλοποίηση από τα RAP και GRAP. Το μόνο που απαιτείται είναι η ύπαρξη ενός επεξεργαστή στο σταθμό-βάση που εφαρμόζει τον αλγόριθμο εκμάθησης. Αντιθέτως, η υλοποίηση των RAP και GRAP απαιτεί πρόσθετο υλικό και στο σταθμό-βάση και στους κινητούς σταθμούς για την ορθογώνια μετάδοση και λήψη των τυχαίων διευθύνσεων. Η έρευνα που περιγράφεται στο Κεφάλαιο αυτό οδήγησε στην εργασία [8]. Το Κεφάλαιο 4 παρουσίασε ένα προσαρμοζόμενο σύστημα εκπομπής πληροφορίας μέσω προώθησης. Το σύστημα χρησιμοποιεί ένα μανθάνον αυτόματο στον εξυπηρέτη εκπομπής ώστε να παρέχει προσαρμοστικότητα σε μια υπάρχουσα στατική μέθοδο εκπομπής πληροφορίας μέσω προώθησης. Χρησιμοποιώντας ένα απλό παλμό ανάδρασης από τους πελάτες, το μανθάνον αυτόματο προσαρμόζεται συνεχώς στις συνολικές απαιτήσεις του πληθυσμού των χρηστών ώστε να προσεγγίζει την δημοτικότητα (popularity) κάθε πακέτου πληροφορίας του εξυπηρέτη στους πελάτες. Το αυτόματο χρησιμοποιεί το συνολικό λαμβανόμενο παλμό ώστε να ενημερώσει τις προσεγγίσεις των πιθανοτήτων ζήτησης των πακέτων από τους πελάτες. Αυτές οι προσεγγίσεις των πιθανοτήτων συγκλίνουν στις καθολικές πιθανότητες ζήτησης των πακέτων, με αποτέλεσμα η μέθοδος να είναι αποτελεσματική σε εφαρμογές που χαρακτηρίζονται από δυναμικές απαιτήσεις των πελατών. Η μέθοδος αυτή προσαρτάται σε ένα στατικό σύστημα εκπομπής πληροφορίας μέσω προώθησης το οποίο και καθιστά προσαρμοζόμενο. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης που παρουσιάζονται καταδεικνύουν την ανώτερη απόδοση του προσαρμοζόμενου συστήματος σε περιβάλλοντα που χαρακτηρίζονται από δυναμικές απαιτήσεις των πελατών. Παρά την ανώτερη απόδοση, το προσαρμοζόμενο σύστημα διατηρεί τη γραμμική υπολογιστική πολυπλοκότητα του στατικού. Η έρευνα που περιγράφεται στο Κεφάλαιο αυτό οδήγησε στις εργασίες [1, 5].