Proposta di un protocollo unicast source based per la riduzione del consumo energetico in una MANET

Introduzione 2
ricerca vanno dal campo militare, alle applicazioni di business, per arrivare
alle applicazioni in caso di atto terroristico o di disastro naturale.
Per queste tipologie di applicazioni si vengono a creare innumerevoli pro-
blemi, primo fra tutti il nodo cruciale della batteria limitata di cui possono
disporre i nodi mobili. Di conseguenza una MANET puó operare pienamente
e continuamente solo per un tempo limitato.
In questa tesi l'algoritmo di routing DSR (Dynamic Source Routing) é
stato modificato per ridurre il consumo totale di energia della rete e allun-
garne il tempo di vita. Nel seguito si descriveranno le MANET e il loro
funzionamento con particolare attenzione al livello MAC e Routing. Quindi
verrá descritta la proposta e verranno presentati i risultati ottenuti.
Capitolo 1
Reti wireless
Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un notevole sviluppo delle tecnologie
di rete wireless. La possibilitá di collegare dispositivi eterogenei (palmari,
computer portatili, telefoni cellulari etc.) con costi relativamente contenuti e
senza la necessitá di cavi, rappresenta sicuramente uno dei principali fattori
di successo di questa tecnologia ([1]-[2]-[3])
Osservando l'evoluzione del mercato globale, possiamo affermare che la
tecnologia si sta orientando verso un futuro fatto di apparecchi che comuni-
cano fra loro grazie ad onde radio piuttosto che attraverso i classici cavi di
connessione, ingombranti ed antiestetici.
La tecnologia wireless consente, all'interno di un ufficio o in una casa, di
far dialogare tra loro molti dei dispositivi elettronici presenti [4]. Lo scambio
di informazioni avviene attraverso onde radio, eliminando qualsiasi tipo di
connessione fisica.
É sempre piú facile trovare aeroporti in grado di offrire accesso wireless
ad Internet per i viaggiatori in attesa o campus universitari che offrono ai
propri studenti la possibilitá di essere connessi tra loro (e con il resto del
mondo) senza l'ingombro di cavi. Questa tecnologia, nota come Wi-Fi (Wi-
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CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 4
reless Fidelity), consente, attraverso l'uso di schede di rete wireless, di creare
delle reti locali (in casa o in ufficio) che permettono di collegarsi ad Inter-
net stando comodamente seduti sul divano o durante una pausa di lavoro.
Oltre al Wi-Fi esistono altre tecnologie che cercano di liberare l'utente da
postazioni fisse e spinotti da inserire. Una di queste tecnologie, Bluetooth,
é rivolta alle cosiddette PAN (Personal Area Network), ovvero reti che col-
legano senza fili e ad alta velocitá dispositivi quali PC, PDA, stampanti o
cellulari che si trovano a breve distanza gli uni dagli altri (non oltre dieci
metri di raggio d'azione). Tali reti sono estremamente versatili. E' sufficien-
te, infatti, che due o piú dispositivi Bluetooth siano vicini perché possano
interagire automaticamente. É possibile, ad esempio, inviare file verso una
stampante Bluetooth, scambiare file con un altro PC o collegarsi ad Internet
tramite il telefonino, magari collocato in tasca o in una borsa.
In definitiva, la tecnologia wireless é la protagonista di questa generazione.
1.1 Caratteristiche delle WLAN
Grazie alle WLAN é possibile per gli utenti accedere ad informazioni con-
divise (dati o risorse), senza cercare un luogo per collegarsi in rete, e gli
amministratori di rete possono implementare o ingrandire una rete senza
installare o trasportare fili.
Le WLAN offrono i seguenti vantaggi di produttivita, convenienza e costi
rispetto alle reti cablate tradizionali:
• mobilitá - le WLAN possono fornire agli utenti un modo per acce-
dere dovunque, nella loro organizzazione, alle informazioni. Queste
opportunita di mobilita e di servizio non sono possibili con reti cablate;
• velocita di installazione e semplicita - installare una WLAN puó essere
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 5
veloce e facile e puó eliminare (o, nella peggiore delle ipotesi, limitare)
la necessita di stendere cavi attraverso pareti e soffitti;
• costi di gestione ridotti - mentre l'investimento iniziale richiesto per
l'hardware delle WLAN puó essere piú alto del costo dell'hardware del-
le LAN cablate, le spese di gestione complessive e le spese nel ciclo di
vita della rete possono essere significativamente piú basse. I benefi-
ci del costo a lungo termine sono maggiori in ambienti dinamici, che
richiedono, cioé, spostamenti e cambiamenti frequenti della topologia
della rete;
• scalabilitá - le WLAN possono essere configurate in una grande varieta
di topologie per soddisfare alle necessita di applicazioni specifiche e
di particolari installazioni. Le configurazioni possono essere cambiate
facilmente e variano da reti peer to peer, appropriate per un numero
piccolo di utenti, a reti di migliaia di utenti che possono operare su
vaste aree grazie al roaming.
Tra gli innumerevoli vantaggi che abbiamo elencato, dobbiamo annotare
anche alcuni svantaggi che le reti senza cavo possiedono:
• Utilizzo di onde radio. Come ogni altro sistema che utilizzi le onde radio
come mezzo trasmissivo delle informazioni, risente dei disturbi elettro-
magnetici (interferenze varie) e della presenza di ostacoli composti da
materia non perfettamente penetrabile dalle onde radio. Questi distur-
bi sono sicuramente di intensita minore rispetto alla rete cellulare, a
causa delle minori distanze in gioco;
• Limitatezza delle risorse radio. Siccome il mezzo trasmissivo sono le
onde radio, si ritrovano in questo ambito, tutte le problematiche relative
alla limitatezza di banda e al riuso delle frequenze;
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 6
• Interoperabilita tra dispositivi senza cavo. Esiste la possibilita che
WLAN di produttori diversi non possano essere interoperabili per tre
ragioni. La prima ragione é che tecnologie diverse non possono intero-
perare: un sistema basato su tecnologia FHSS non potra comunicare
con un altro basato su tecnologia DSSS. La seconda ragione é il fatto
di utilizzare bande di frequenza diverse anche se usano la stessa tec-
nologia. La terza ragione e ultima ragione risiede nelle differenze di
realizzazione di ciascun venditore;
• Robustezza della rete. Anche se negli ultimi anni vi é stato un netto
miglioramento nell'efficienza di queste reti, é sempre possibile il col-
lasso di uno degli AP (o degli EP) appartenenti alla rete e quindi la
paralizzazione di tutti gli utenti che vengono serviti dall'AP collassato.
1.2 Tecnologia delle WLAN
La scelta della tecnologia per la realizzazione di una rete wireless é ovvia-
mente strettamente legata alla topologia ed alla tipologia della rete stessa.
Attualmente le tecnologie wireless sono: powerline, ottica, radiofrequenze,
microonde, cellulare e satellitare.
La Figura 1.1 a pagina seguente riassume le principali caratteristiche delle
tecnologie che verranno ora analizzate.
Le bande piú popolari per la comunicazione satellitare sono:
• la banda C: 6 GHz per l' uplink (Terra-satellite) e 4 GHz per il downlink
(satellite- Terra);
• la banda Ku: 12 GHz per l' uplink (Terra-satellite) e 14 GHz per il
downlink (satellite-Terra).
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 7
Tabella 1.1: WLAN:analisi comparata
Tipo Velocità Estensione Vantaggi Svantaggi
Powerline da 1.2 a 38.4
Kbps
da 5 m ad
alcuni Km
Economicità Elevato rumore nel-
la trasmissione
Infrarossi da 230 Kbps
a 16 Mbps
da 30 m a 200
m
Flessibilità, Tecnolo-
gia consolidata, Ve-
locità, Mobilità, Im-
munità alle interfe-
renze, Assenza di
licenze
É richiesto il perfet-
to allineamento del-
le stazioni, Inter-
ferenza, LAN con-
finate in un'unico
volume
Radio
frequen-
za
2 Mbps da 250 m a 3
km
Flessibilitá, Penetra-
zione dei muri por-
tanti, Assenza di li-
cenze
Interferenze, Velo-
citá ridotta, Scarsa
mobilitá, Esposizio-
ne utenti a radiazio-
ni
Microonde 10 Mbps 80 m Flessibilitá di instal-
lazione, riconfigura-
zione e manutenzio-
ne, Velocitá simile
alle reti cablate, Im-
munitá alle interfe-
renze
Propagazione del
segnale limitata,
Esposizione utenti
a radiazioni
Cellulare fino a 19.2
Kbps
Rete cellulare Uso rete telefonica
preesistente, Tecno-
logia ad alta diffusio-
ne
Possibili interferen-
ze in radiofrequen-
za, Ritardi elevati
Satellitare migliaia di
km
Trasmissioni broad-
cast, Ampia coper-
tura del territorio
Costi iniziali eleva-
ti, Ritardi di tra-
smissione, Sensibile
ad attenuazioni del
segnale
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 8
La banda Ka (20-30 GHz) é per adesso usata solo sperimentalmente. Da
queste frequenze in poi la qualita' del segnale trasmesso é fortemente in-
fluenzata dalle condizioni atmosferiche che, se non buone, provocano un for-
te attenuazione del segnale. Tale attenuazione del segnale (fade) deve essere
controbilanciata con speciali contromisure (tecniche di fade countermeasure).
1.2.1 Tecnologia powerline
La tecnologia powerline fa uso dei comuni fili della corrente all' interno di
un edificio per trasmettere il segnale. In assenza di interruzioni (ad esempio
trasformatori) nella rete elettrica, é possibile stabilire un link di comunicazio-
ne tra chiamante e ricevente mediante onde convogliate. A causa della gran
quantitá di rumore presente sui fili e del tipo di mezzo usato per trasmettere
la corrente, la velocitá di trasmissione é generalmente bassa, tra 1.2 e 38.4
Kb/s. Il pregio maggiore di questa tecnologia é la relativa ecomicitá.
1.2.2 Tecnologia ottica
La tecnologia ottica utilizza le lunghezze d' onda nell' infrarosso per tra-
smettere l' informazione. In una wireless LAN a raggi infrarossi (IR), ogni
stazione é equipaggiata con un transceiver dotato per la trasmissione di un
LED (Light Emitting Diode) che emette luce a raggi infrarossi e, per la rice-
zione, di un fotodiodo, operanti alla medesima lunghezza d' onda. Si hanno
a disposizione tre modi di radiazione degli IR per l' interscambio di dati tra
le stazioni: punto-punto, semi-diffusione e diffusione totale. Nella modalitá
punto-punto, due transceiver devono essere perfettamente allineati per po-
tersi illuminare reciprocamente con un fascio di luce IR. Lo scambio di dati
tra le stazioni avviene modulando il fascio di infrarossi. Questa tecnica va
bene per la realizzazione di LAN di tipo Token Ring, realizzando l' anello
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 9
fisico mediante una sequenza circolare di link punto-punto. Con trasmissione
laser-IR unidirezionale si possono coprire distanze anche di alcuni Km come
in Figura 1.1. Nella modalitá di radiazione per semi-diffusione (il segnale
ottico emesso da una stazione viene captato da tutte le altre, realizzando co-
sí delle connessioni punto-multipunto o broadcast. Si sfrutta una superficie
riflettente sulla quale vanno a collimare i fasci IR provenienti dai transceiver
di tutte le stazioni: con questa configurazione, per il principio di diffusione
della radiazione luminosa, il raggio proveniente da una stazione verrá riflesso
verso tutte le altre rendendo cosí possibile una comunicazione di tipo broa-
dcast. La superficie riflettente puó essere passiva, di solito il soffitto della
stanza ove ha sede la LAN, oppure attiva, cioé realizzata mediante un dispo-
sitivo, detto satellite, che serve ad amplificare e rigenerare il segnale ottico
prima di effettuarne il broadcast (funziona praticamente come un repeater).
La diffusione passiva richiede piú potenza nei transceiver delle stazioni, ma
consente una piú facile installazione della rete dal momento che non occorre
il posizionamento del satellite. Nella radiazione per diffusione totale come
in Figura1.3 la potenza ottica emessa da un transceiver deve essere tale da
consentire al raggio di diffondersi per tutto il volume della stanza dopo una
serie di riflessioni multiple sui muri. Questo segnale verrá captato da qualun-
que altra stazione all' interno dello stesso spazio, senza la necessitá di alcun
particolare orientamento di quest' ultima. La presenza di riflessioni, tuttavia,
limita la massima velocitá di trasmissione a causa dell' interferenza dovuta
al fenomeno del multipath (per cui un segnale puó essere ricevuto attraverso
piú cammini caratterizzati da differenti ritardi). Le modalitá di radiazione
per semi-diffusione e diffusione, dal momento che consentono una comunica-
zione broadcast, sono adatte all'implementazione di reti di tipo Ethernet. In
particolare, la prima permette la realizzazione di reti con stazioni fisse, la se-
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 10
conda con stazioni mobili. Le reti wireless ad IR possono essere installate solo
nell' ambito di un' unica stanza, in quanto le stazioni devono trovarsi in linea
ottica nel caso di link punto-punto, oppure avere una superficie riflettente co-
mune, nel caso dei link punto-multipunto ottenuti per semi-diffusione, oppure
devono essere situate tutte nello stesso volume, se si usa la diffusione totale.
É inoltre difficile garantire la compresenza di piú network isolate poiché, an-
che se si possono utilizzare nella trasmissione diverse frequenze portanti, la
possibilitá di passare da una frequenza ottica ad un' altra é difficile e costosa
da ottenere. Nonostante queste limitazioni, gli IR offrono notevoli vantaggi
come, ad esempio, l' immunitá alle interferenze elettromagnetiche (EMI), l'
intrinseca sicurezza della trasmissione (perché in ambiente molto limitato) e
l' assenza di licenze da parte delle PTT (in Italia, il Ministero delle Poste e
Telecomunicazioni) per le installazioni. La tecnologia dei raggi infrarossi é
sicuramente la piú matura tra quelle utilizzate nell' ambito delle reti wireless
in quanto é da una ventina d' anni che la trasmissione dati mediante IR é
realizzata mediante apparecchiature commerciali.
Figura 1.1: Propagazione punto-punto
1.2.3 Tecnologia delle radio frequenze
L' utilizzo delle radiofrequenze é ostacolato dal fatto che la complessitá dei
radio-transceÃver cresce con il crescere della frequenza di trasmissione, ed il
costo é, in generale, piú elevato del corrispettivo IR, anche se puó essere in
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 11
Figura 1.2: Propagazione per semi-diffusione(con satellite)
Figura 1.3: Propagazione per diffusione totale
parte abbattuto sfruttando la componentistica ad alta diffusione (ad esem-
pio la telefonia cellulare). Uno dei vantaggi di questa tecnologia risiede nella
possibilitá di coprire aree estese, che superano i limiti di un singolo ambiente.
Con una trasmissione a bassa potenza (<1W) si possono coprire distanze di
circa 1 Km all' aperto e 50-100 m al chiuso, a seconda del numero di pareti
da attraversare. Un ulteriore vantaggio della trasmissione RF consiste nel-
la possibilitá di permettere la compresenza di piú network isolate, mediante
la variazione della frequenza della portante trasmissiva. La scelta delle fre-
quenze e della modalitá di trasmissione é strettamente legata alle esigenze di
progetto e alla regolamentazione presente nei diversi Paesi. Nel 1985 il Fe-
deral Communication Commitee (FCC) assegnó tre bande di frequenza, nel
campo delle microonde, alle trasmissioni senza licenza con potenza massima
di 1 W. Queste bande, 902 - 928 MHz, 2400 - 2483 MHz e 5725 - 5850 MHz,
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 12
erano precedentemente disponibili per applicazioni Industriali, Scientifiche e
Mediche, da ció il nome bande ISM (Figura1.2). Dal 1985, avendo a disposi-
zione le bande ISM, alcuni costruttori di prodotti di networking iniziarono a
progettare dei dispositivi per wireless LAN operanti a tali frequenze. Essen-
do bande piuttosto strette e, non necessitando di licenza, aperte a chiunque
volesse utilizzarle (con il solo vincolo della potenza massima di 1 W), si ar-
rivó ben presto ad un livello di interferenza inammissibile e ció portó ITCC
a imporre l' utilizzo della tecnica di modulazione Spread Spectrum (SS) per
la trasmissione in banda ISM. La tecnica di modulazione Spread Spectrum é
nata alla fine della Seconda Guerra Mondiale per scopi militari: serviva per
prevenire l' interferenza durante il controllo di armi telecomandate. Consi-
ste nel distribuire l' energia di un segnale a banda limitata su di una banda
molto piú ampia al fine di abbassarne notevolmente la densitá spettrale di
energia. L' idea é quella di ottenere un segnale con un livello energetico al
di sotto di quello del rumore ambientale, che, come é noto, é costante e a
banda pressoché illimitata, per renderlo non intercettabile. In ambito civile
lo scopo é quello di minimizzare le interferenze che inevitabilmente si hanno
tra piú segnali che condividono la stessa banda.
Esistono due tecniche per ottenere un segnale Spread Spectrum da uno
a banda limitata: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), e Frequency
Hopping Spread Spectrum (FHSS).
• DSSS: il segnale trasmesso é modulato con una sequenza pseudo-casuale
binaria (chipping sequence). Per trasmettere un 1 si invia la sequenza
di chipping positiva, per trasmettere uno zero la sequenza negativa. La
velocitá relativa tra frequenza pseudo-casuale e trasmissione (cioé la
lunghezza della sequenza di chipping) é, nel caso commerciale, compre-
sa tra 10 e 100, mentre in quello militare tra 1000 e 10000. Il ricevitore
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 13
per ricostruire l' informazione esegue l' EXOR tra segnale e sequen-
za pseudo-casuale: se sono in fase, il risultato é il segnale trasmesso.
Mediante tale tecnica si trasmette ancora con una singola portante a
frequenza fissa, come nelle trasmissioni tradizionali, ma, grazie alla se-
quenza di cippher e allo schema di modulazione usato, la potenza del
segnale si distribuisce su uno spettro piú ampio.
• FHSS: tutta la banda disponibile é divisa in un insieme di canali di
uguale larghezza. La trasmissione avviene per un certo periodo di tem-
po (dwell time) su un canale poi passa su un altro seguendo una precisa
sequenza (hopping sequence). Tale sequenza puó essere predetermina-
ta o trasmessa anch'essa insieme ai dati, comunque deve essere tale da
garantire un ugual uso di tutti i canali di trasmissione.
Quando il dwell time é minore del tempo di bit si parla di fast-frequency
hopping, mentre quando il dwell time é (molto) maggiore del tempo di bit
si parla di slow-frequency hopping. I sistemi basati sul primo tipo sono piú
costosi e ad alto consumo ma, dal momento che ogni bit viene trasmesso su
molti canali, offrono il vantaggio di una maggiore tolleranza alla distorsione
selettiva in frequenza. Lo slow frequency hopping, invece, permette una mag-
giore facilitá nel sincronismo dell' hop. La scelta della banda in cui operare
dipende dalle esigenze di lavoro. In Figura1.2 é riportato un confronto fra le
caratteristiche delle bande ISM. Attualmente la piú utilizzata ed affollata é la
seconda, (2.4-2.483 GHz), che presenta vantaggi di ampiezza, di universalitá
(é utilizzabile senza licenza in tutto il mondo) e di costo (la componentistica
puó in parte sfruttare la tecnologia al silicio, di basso costo).
CAPITOLO 1. RETI WIRELESS 14
Tabella 1.2: Confronto fra le bande ISM
| || |||
Frequenze 902-928 2.4-2.4835 5.725-5.850
Larghezza di banda 26 Mhz 83.5 Mhz 125 Mhz
Utilizzabilitá USA/CANADA ovunque USA/CANADA
Costo tecnologia Basso (si) Basso/medio (si,
GAAs)
Alto (GaAS)
Dimensione canali FH 0.5 Mhz 1 Mhz 1 Mhz
Numero canali F11
(USA)
Elevato Basso Quasi nullo
Sorgenti di interferenza
(USA)
Utilizzatori
primari-molte
LAN-molti non
Spread Spectrum
Utilizzatori
primari-poche
LAN-pochi non
Spread Spec-
trum -forni a
microonde
Utilizzatori
primari-
pochissime
LAN-pochissime
non Spread
Spectrum
Sorgenti di interferenza Telefoni cellulari Alcuni radar