Redes Inalámbricas Máster Ingeniería de Computadores 2008/2009Redes Inalámbricas Máster Ingeniería de Computadores 2008/2009

Tema 6.- Redes inalámbricas Ad Hoc. Control de EnergíaTema 6.- Redes inalámbricas Ad Hoc. Control de Energía

IntroducciónTrabajo RelacionadoPropuestas del Grupo GRC

Estudios Preeliminares Minimum Drain Rate Arquitectura Mobile Network Framework

Power Management in IEEE 802.11

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Limitaciones de las redes ad hoc [Corson99]

Limitaciones debidas al medio inalámbrico Radio de transmisión limitado (Encaminamiento

complejo)

Errores de transmisión/perdidas de paquetes Seguridad restringida

Limitaciones debidas al carácter de las estaciones Topología dinámicas Energía reducida

[Corson99] , S. Corson and J. Macker, “Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations”, RFC 2501, January 1999.

¿ Cuales son los mayores retos en el área ¿ Cuales son los mayores retos en el área de las redes ad-hoc ? de las redes ad-hoc ?

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Retos de las redes ad hoc

¿Como encaminar paquetes entre estaciones? ¿Como hacerlo de forma eficiente?

Otros retos: Configuración Descubrimiento de servicios Calidad de servicio TCP over MANETs Seguridad y privacidad ...

“A pesar de los recientes avances en el área de la capacidad de las baterías, el Consumo de energía, es todavía un factor de diseño crítico” [Tsuda2000]

[Tsuda00] , Shingo Tsuda, “Battery Technologies Based on the Requirements for Applications and Future Movement”, 10th Int. Meeting on Lithium Batteries, June 2, 2000, Como (Italy).

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Motivación

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Batería limitadaBatería limitada

¡¡ Red sin capacidad de ¡¡ Red sin capacidad de encaminamiento !!encaminamiento !!

Dependencia de baterías

Capacidad de batería # 2

Capacidad de batería # 7

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Power Management in IEEE 802.11

Mobile devices are battery powered Enhancement of battery life enhances network

lifetime Idle receive state dominates LAN adapter power

consumption over time Power consumption of ORiNOCO WLAN Card

Doze modeIdle modeReceive mode

Transmit mode

60mW700mW900mW1400mW

Doze modeIdle modeReceive mode

Transmit mode

60mW700mW900mW1400mW

How can we power off during idle periodsHow can we power off during idle periods and yet maintain an active session?and yet maintain an active session?

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6 Trabajo Relacionado: Solutions addresing the power-saving issue in MANETS:

Transmission power control [Wu2000]To reduce interferences and improve throughput on the MAC layerTo determine the best network topology

– Adjust the power tx according to the distance with the next node

Power-aware routing [Kim2003]Use different metrics based on power consumption

– Nodes’ lifetime, conections’ lifetime – Remaining battery, supported traffic

Low-power mode [IEEE80211-99]Low power sleep modes at the physical layer

– IEEE 802.11 power saving mechanishm– Bluetooth provides sniff, hold, and park low-power modes[Wu2000] S.L. Wu, Y.C. Tseng, J.P. Sheu, Intelligent medium access for mobile ad hoc networks

with BusyTones and power control, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 18 (2000) 1647–1657.

[Kim2003] Dongkyun Kim, J.J. Garcia-Luna-Aceves, Katia Obraczka, Juan Carlos Cano, Pietro Manzoni, "Routing Mechanisms for Mobile Ad Hoc Networks based on the Energy Drain Rate", IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol. 2, No. 2, April-June 2003, pp. 161-173.

[IEEE80211-99] LAN MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, IEEE Std 802.11-1999, Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications,IEEE, 1999.

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Propuestas del Grupo GRC (I)

Protocols evaluated in this work DSR, AODV, DSDV and TORA

Previous performance studies [Broch98], evaluated DSR, AODV, DSDV, and TORA

packet loss, routing message overhead and route length [Joha99], evaluated DSR, AODV, and DSDV

packet loss, routing overhead, throughput and delay [Das00], evaluated DSR and AODV

packet loss, delay and routing load

[Cano2000] J. C. Cano and P. Manzoni, “A Performance Comparison of Energy Consumption for Mobile Ad Hoc Networks Routing Protocols,'' Proceedings of the 8th IEEE/ACM MASCOTS 2000, August 2000

[Broch98], J. Broch, D. A. Maltz, D. B. Johnson, Y-C. Hu, and J. Jetcheva. “A Performance Comparison of Multi-hop Wireless Ad Hoc Networks.” In Proceedings of the 4th Int. Conference on Mobile Computing and Networking (ACM MOBICOM’98), pp. 85-97, October 1998.

[Joha99], P. Johansson, T. Larsson, N. Hedman, B. Mielczarek, and M. Degermark, “Scenario-based Performance Analysis of Routing Protocols for Mobile Ad-Hoc Networks,” In Proceedings of the ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and networking, pp: 195-206, August, 1999.

[Das00], S. R. Das, C. E. Perkins, and E. M. Royer, “Performance Comparison of Two On-Demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks,” In Proceedings of the IEEE Infocom, March 2000.

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Modelo de consumo de energía

Energía consumida por una estación depende de: Consumo del interfaz

Características del interfaz de redOperación

Suministro de energía Tiempo de transmisión del paquete

Tamaño del paqueteAncho de banda

Lucent WaveLAN 2.4 GHz, 11Mbps Recepción 240mA Transmisión 280mA V = 5 voltios tp = (ph/2*106 + pd/11*106)

Ph = tamaño cabecera

Pd = tamaño datos

Etx(p) = 280mA * v * tp

Erx(p) = 240mA * v * tp

E(p) = i * v * tp

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Methodology

Basic Scenario Mobility scenario

25 mobile nodes500m x 500m15m/s as a maximum speed

– random waypoint model [Johnson99]

Traffic model20 CBR sources 4 packets/s (512 bytes each one)

Sensitivity analysis Parameters evaluated

Mobility patternsTraffic patternNode numberArea shapeData sending pattern

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Simulations Results: The Basic Scenario

The energy due to received traffic is NOT proportional to sent traffic Receiving process: Receiving actual data plus

overhearing

Routing energy consumptionDSR performs better that DSDV and AODV (caching

mechanism)TORA high energy consumption

– Due to the IMEP periodic HELLOpackets [Corson98]

0%

25%

50%

75%

100%

DSR AODV DSDV TORA

Ene

rgy

cons

umpt

ion

(%

)

Tx energy Rx energy

Routing protocol energy consumptionProtocol DSR AODV DSDV TORA

Energy (Joules) 12,98 82.79 77.89 518.42

[Corson98], M. S. Corson, S. Papademetriou, P. Papadopoulos, V. D. Park, and A. Qayyum, “An Internet MANET Encapsulation Protocol (IMEP) Specification,” Internet Draft, draft-ietf-manet-imep-spec-01.txt, August 1998. Work in progress.

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Conclusions

We measured and compared the energy consumption behavior of four different MANET routing protocolsMethodology

Basic scenarioSensitivity analysis

Results: Pure on-demand protocols (DSR and AODV) perform

better Proactive protocols seem to perform better

in stressed scenarios DSR normally performs better than AODV

Source routing could be a good option ... TORA achieve highly reliability by

consuming more energy than othersproposal

Future Work ...

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Propuestas del Grupo GRC (II)

Objectives at the network layer: Select the best path to route data packets

Minimizing the total transmission power needed to route data packets Maximizing the lifetime of all individual nodes

Power-aware route selection schemes: MTPR (Minimum Transmission Power Routing) [Scott96] MMBCR (Min-Max Battery Cost Routing) [Singh98] CMMBCR (Conditional Max-Min Battery Capacity Routing) [Toh01] MDR (Minimum Drain Rate Routing) [Kim2003]

[Kim2003] Dongkyun Kim, J.J. Garcia-Luna-Aceves, Katia Obraczka, Juan Carlos Cano, Pietro Manzoni, "Routing Mechanisms for Mobile Ad Hoc Networks based on the Energy Drain Rate", IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol. 2, No. 2, April-June 2003, pp. 161-173.

[Scott96], K. Scott and N. Bambos, "Routing and channel assignment for low power transmission in PCS," IEEE ICUPC, 1996.

[Singh98], S. Singh, M. Woo, and C. S. Raghavendra, "Power-aware with Routing in Mobile Ad Hoc Networks," IEEE/ACM Mobicom, 1998.

[Toh01], C.-K. Toh, "Maximum Battery Life Routing to Support Ubiquitous Mobile Computing in Wireless Ad Hoc Networks," IEEE Communications Magazine, June, 2001.

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Minimum Total Transmission Power Routing (MTPR)

Objective Reduce the total energy consumed along a route

MTPR Algorithm Let the total transmission power along a route rd = n0, n1,

…, nd

MTPR selects the optimal route (ro) as:

MTPR drawbacks It makes us worry about the lifetime of each node

Where T(ni, nj) denotes the energy consumed in transmitting over the hop (ni, nj).

Where r* is the set of all possible routes.

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Min-Max Battery Cost Routing (MMBCR) Objective

Avoid the use of those routes with nodes having the least battery capacity. ( It tries to make sure that no node is overused)

MMBCR Algorithm Let ci(t) the battery capacity of node ni at time t

fi(t) = 1/ci(t) , Battery cost function of node ni

MMBCR selects the optimal route (ro) as:

MMBCR drawbacks It does not minimize the total transmission power over a route It tries to distribute energy consumption evenly, but can make many nodes consume their energy because of longer paths.

Where r* is the set of all possible routes.

, Route cost of a route rj = n0, n1, …, nd

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Conditional Max-Min Battery Capacity Routing (CMMBCR)

Objective Prolong the lifetime of nodes and reduce the total

transmission power consumed per packet CMMBCR Algorithm

, Route cost of a route rj where ci(t) is the battery capacity of node i .

Let Q the set of all possible paths between src and dst Let A the set of paths between src and dst that holds:

Where a given threshold

CMMBCR route selection: If AQ != , select a route in AQ, using MTPR protocol Otherwise , select a route in Q using MMBCR protocol

CMMBCR drawbacks The performance depends on the value of It is not easy to select according to the two objectives

above

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Motivation

We cannot guarantee that the nodes with high remaining power will survive without power breakage, even when heavy traffic is passing through the node.

Remaining Battery Power(RBP)

Remaining Battery Power

i j

Compare Drain Rates

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A New Cost Function Based on Drain Rate

Traffic load information + Residual Battery Capacity Candidate Traffic load information

Number of packets buffered in the node’s queue It is not trivial to devise an efficient cost function that

combines the buffer information with the remaining battery power.

Drain Rate (DR) The rate at which energy gets dissipated at a given node

A new cost function using drain rate When the remaining battery of node (i) is exhausted

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Minimum Drain Rate (MDR) Routing

Objective Extend both nodal battery life and connection lifetime

MDR Algorithm

Let ci cost value of node ni

MDR selects the optimal route (rM) as:

MDR drawbacks It does not minimize the total transmission power over a route Solution :

Conditional Version of MDR similar to CMMBCR in threshold based way

Where r* is the set of all possible routes.

, Route cost of a route rp = n0, n1, …, nd

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Implementation Details

We use DSR as the base routing protocol DSR Protocol

Route Discovery Process Route Maintenance

We modified the Route Discovery process of DSR to implement MTPR, MMBCR and MDR

ObservationsEach intermediate node inserts in the Source Route information on

it energy costThe source node will select the optimal route among all the

possible routesThe source node periodically refreshes its routes and gets new

routes that represent current power conditionWe avoid using DSR cache optimization

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Modified Route Discovery Process

N1-N2-N5-N8: E.CostN1-N2-N5-N4-N7-N8: E.CostN1-N2-N5-N4-N6-N7-N8: E.CostN1-N3-N4-N7-N8: E.CostN1-N3-N4-N5-N8: E.Cost

RREQUEST

RREPLY

Destination

N1

N2

N3

N5

N4

N6

N7

N8

Source

N1 +

N1 +

N1-N2 +

N1-N3 +

N1-N3-N4 +

N1-N2-N5 +

N1-N3-N4 +N1-N3-N4 +

N1-N3-N4-N6 +

N1-N3-N4-N7 +

N1 Route Cache

— Source node Select the optimal route Periodically refreshes its Route

Cache

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Energy Consumption Model

Lucent WaveLAN 2 Mb/sReceiving mode (240 mA), Transmitting mode (280 mA)

Energy consumed when nodes Send/Receive a packet (5 volt)NIC characteristics, Packet size, Bandwidth, Energy supply

Energy consumed at node ni

With overhearing:

Without overhearing:

Energy modelEtx(p) = (280mA*5V*size(p))/2*106

Erx (p) = (240mA*5V*size(p))/2*106

Eo (p) = Erx (p)

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Resultados obtenidos

Expiración de las estaciones MMBCR utiliza la capacidad actual de las baterías para

distribuir las rutas utilizadas entre las estaciones MDR evita el consumo excesivo de energía de estaciones

críticas, prolongando el tiempo de vida de las estaciones con respecto a MTPR y MMBCR

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100 200 300 400 500 600 700 800

Tiempo de simulación (s)

Nú

mer

o d

e es

taci

on

es o

per

ativ

as

MTPR

MMBCR

MDR

Resultados obtenidos son coherentes con los presentes en la literatura

Parecen indicar que este tipo de protocolos prolongan el tiempo de operación de las estaciones de una red adhoc

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Simulations Results: Static Dense Network

Node expiration time MTPR cannot guarantee the lifetime of nodes. MMBCR evenly distributes the energy consumption among nodes with residual

capacity. Connection expiration time

MTPR allows the connection to survive longer than MMBCR due to abundant alternative routes.

MMBCR suffers the short lifetime of connections. When considering overhearing, all approaches behave similar MDR offers a good tradeoff among Node and Connection expiration time

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Simulations Results: Dynamic Dense Network (10 m/s)

Node expiration time MTPR presents the worst performance due to the concentration of traffic. When considering overhearing, all the protocols behave almost the same.

Connection expiration time MTPR behaves the best, because it can use many alternative routes. MTPR has the highest variation among the connection expiration times

Again, MDR offers a good tradeoff among Node and Connection expiration time

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Investigating the Energy Consumption

The energy consumption highly depends on overhearing activities Overhearing problem

Techniques to reduce the energy expenditure are needed– Switching off Network Interface Cards

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Análisis detallado de las soluciones propuestas

Los resultados obtenidos dependen del modelo de consumo de energía utilizado !!!

Un análisis detallado:

1. El consumo del interfaz inalámbrico depende del modo de operación Recepción, Transmisión, Idle y Sleep

2. El proceso de recepción incluye dos actividades Recepción de datos propios + Sobre-escucha

(overhearing)

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Tasas de consumo de interfaces comerciales

Tarjeta ORINOCO/IEEE Turbo 11 Mb PC Card Transmisión 1400 mW Recepción y overhearing 1200 mW Sleep Varios modos de bajo consumo 75 mW Idle ¿Especificaciones?

Estudios experimentales 1100mW [Feeney01]

[Feeney01] , L. Feeney and M. Nilsson, “ Investigating the Energy Consumption of a Wireless Network Interface in an Ad Hoc Networking Environment,” IEEE INFOCOM 2001, Anchorage.

Idle IdleTx Rx

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Nuevo modelo de consumo de energía del NIC

Se ha incorporado al modelo anterior el consumo debido a las operaciones en modo Idle y de overhearing de las estaciones

ORINOCO/IEEE Turbo 11 Mb PC, 11Mbps

Etx(p) = 1400 mW * tp

Erx(p) = 1200 mW * tp

Eover(p) = 1200 mW * tp

Eidle(t) = 1100 mW * t

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Nuevos resultados

Expiración de las estaciones Todos los mecanismos obtienen resultados similares

Con la tecnología 802.11 estos protocolos por si solos no permiten reducir el consumo de energía de las estaciones de la red

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Conclusiones obtenidas

Tasa de consumo: 1:12:14:20

Sleep : idle : Recepción : Transmisión

Los interfaces de red se encuentran la mayor parte del tiempo en modo Idle

La única forma de reducir el consumo es utilizar técnicas basadas en la utilización del modo Sleep

Sin embargo, en una red ad hoc, una estación siempre puede ser requerida como estación encaminadora, y la utilización del modo Sleep podría afectar negativamente a las actividades de encaminamiento

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Conclusiones obtenidas

Tasa de consumo: 1:12:14:20

Sleep : idle : Recepción : Transmisión

Se requieren técnicas que integren aspectos de Se requieren técnicas que integren aspectos de encaminamiento con algoritmos de reducción de encaminamiento con algoritmos de reducción de

consumo y algoritmos de control de topología que consumo y algoritmos de control de topología que permitan la utilización del modo Sleep sin afectar a las permitan la utilización del modo Sleep sin afectar a las

actividades de encaminamientoactividades de encaminamiento

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Power Management in IEEE 802.11 Standard

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Power Management in IEEE 802.11

Power management modes Active mode (AM) Power Save mode (PS)

Power management in 802.11 In infrastructure network vs. ad hoc network

Basic Idea AP or source hosts buffer packets for hosts in PS mode.

AP or sources send TIM periodically.– TIM = traffic indication map (a partial virtual bitmap associated

with station id)TIM is associated with beacon.

Hosts in PS mode only turn on antenna when necessary.Hosts in PS mode only “wake up” to monitor TIM.

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TIM types and Synchronization

TIM Types TIM :

Transmitted with every beacon (for Unicast) Delivery TIM (DTIM):

Transmitted less frequently (every DTIM_interval) For sending buffered (broadcast packets)

Ad hoc TIM (ATIM): Transmitted in ATIM-Window by stations who want to send buffered packets Structured the same as TIM

Synchronization Time Synchronization Function: assures AP and Power save stations

are synchronized. A timestamp used to be synchronized TSF timer keeps running when stations are sleeping

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Basic Idea:An Illustration Example

Each node configures its wake-up period

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Power Saving Sequences

802.11 stations shut down the radio transceiver and sleeping periodically to increase battery life.

During sleeping periods, access points buffer any unicast frames for sleeping stations.

These frames are announced by subsequent Beacon frames. To retrieve buffered frames, newly awakened stations use

PS-Poll frames.

Access Sequences Immediate response

AP can respond immediately to the PS-Poll. PS-Poll frame contains an Association ID in the Duration/ID field so AP can

determine which frames were buffered for the MS. Immediate response with fragmentation

If the buffered frame is large, it may require fragmentation. Deferred response

After being polled, the AP may decide to respond with a simple ACK. AP may do regular DCF activities the PS station must remain awake until it is delivered

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Power Management in Infrastructure Mode

All traffic for MSs must go through APs, so they are an ideal location to buffer traffic.

APs are aware of MSs’ power management state. APs have two power management-related tasks.

Determine whether a frame should be delivered Announce periodically which stations have frames

waiting for them. Stations only need to power up

receiver to listen to the buffer status and transmitter to transmit polling frames after being

informed.

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Assumptions and Models

Assumptions: TIM interval (beacon interval) and DTIM interval are

known by all hostsRequires time synchronization

Stations in PS mode are known or can be predicted. Two Operational Models:

Under DCF (contention-based) Under PCF (contention-free)

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Under DCF (Infrastructure Mode)

Basic assumption: Use CSMA/CA to access the channel RTS, CTS, ACK, PS-Poll are used to overcome the hidden-terminal

problem

Operations of TIM (in DCF)

AP periodically broadcasts beacon with TIM. Hosts in PS must wake up to check TIM.

Check for their IDs. If found having packets buffered in AP, send PS-Poll to AP (by

contention?). Otherwise, go back to PS mode.

AP replies PS-poll with ACK. The receiver must remain in active mode until it receives the packet.

AP uses CSMA/CA to transmit to stations.

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Listen Interval

Listen Interval The number of Beacon periods for which the mobile station may

choose to sleep. One of the key parameter used in estimating the resources required

to support an association. Longer listen intervals require more buffer space on the AP. If a MS fails to check for waiting frames after each listen

interval, they may be discarded without notification.

To retrieve buffered frames, MSs use PS-Poll control frames.

The buffered frames must be positively acknowledged before it is removed from buffer.

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Traffic Indication Map

If multiple frames are buffered for a MS, then the More Data bit in the Frame Control field is set to 1.

MSs can then issue additional PS-Poll to AP until More Data bit is set to 0.

After transmitting the PS-Poll, a mobile station must remain awake until either The polling transaction has concluded or The bit corresponding to its AID is no longer set in the TIM

When multiple stations have buffered frames, stations use the random backoff algorithm before transmitting the PS-Poll.

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Buffered Frame Retrieval Process for Two Stations

Station 1 has a listen interval of 2 while Station 2 has a listen interval of 3.

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Delivering Multicast and Broadcast Frames: the Delivery TIM (DTIM)

Frames are buffered whenever any station associated is sleeping.

Buffered broadcast and multicast frames are saved used AID = 0.

APs set the first bit in the TIM to 0. At a fixed number of Beacon intervals, a DTIM is sent. Buffered broadcast and multicast traffic is transmitted after a

DTIM Beacon. If TIM indicates frame buffered

station sends PS-Poll and stays awake to receive data. - else station sleeps again

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Under PCF (Infrastructure Mode)

Basic Assumption: Point coordinator uses CF-Polling to access the channel. AP only maintains the CF-Pollable stations.

AP must poll stations in PS mode first

AP broadcasts beacon with TIM. Hosts in PS mode checks TIM for their IDs.

If there are buffered packets in AP, the host must remain in Active Mode until being polled.

O/w, the station goes back to PS mode. Then AP polls those PS stations. When being polled, the station (in PS mode) sends PS-Poll to

AP. Then AP sends buffered packets to the station.

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Buffered Frame Retrieval in PCF

TIM

Poll

TIM TIM

Beacon_Interval

AP

STA 2 inPS mode

PS-poll

STA 1 inPS mode

Data

ACK

PS-poll

Data

ACK

Poll

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Operations of DTIM in PCF

All CF-pollable stations need be in Active Mode when AP broadcasts DTIM.

Immediately after DTIM, AP sends out the buffered broadcast/multicast packets.

DTIM

Broadcast Data

TIM TIM

Beacon_Interval

AP

STA 2 inPS mode

STA 1 inPS mode

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Power Management in Ad Hoc Mode

Power management is less efficient. Far more of the burden is placed on the sender to ensure

that the receiver is active. Receiver must also be more available and cannot sleep

for the same lengths of time.

ATIM: Announcement TIM The ATIM frame is a message to keep the transceiver on

because there is a pending data frame. All stations in an IBSS listen for ATIM frames during

specified periods after Beacon transmissions. Stations that do not receive ATIM frames are free to

conserve power.

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ATIM Usage

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PS in Ad Hoc Mode

Assumptions: ATIM interval (beacon interval) & ATIM window are known

by all hosts Each station predicts which stations are in PS mode

¿How, not mentioned in the standard? The network is fully connected

Basic Method: CSMA/CA is used to access the channel. RTS, CTS, ACK, PS-Poll are used to overcome hidden

terminal.

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Operation of ATIM (1)

All stations should be in active mode during ATIM window.

The station which completes its backoff procedure broadcasts a beacon. Sending beacon is based on contention. Any beacon starts the ATIM window. Once a beacon is heard, the rest beacons are inhibited.

In ATIM window, each source station having buffered packets to be sent contends to send out its ATIM. If a host finds it is in the ATIM name list,

Send an ACK to the sender.Remain in the ACTIVE mode throughout the beacon interval.

If the host is not in the name list, it can go back to the PS mode.

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Operation of ATIM (2)

After ATIM window, All stations use CSMA/CA to send the buffered packets. Only those hosts who have ACKed the ATIM have such

opportunity. The ATIM window is the only IBSS-specific

parameter. Setting it to 0 avoids using any power management.

If the beacon is delayed due to a traffic overrun, the useable portion of the ATIM window shrinks.

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ATIM Example

A station is permitted to sleep only if it neither transmits nor receives an ATIM.

When a station stays up due to ATIM traffic, it remains active until the conclusion of the next ATIM window.

ATIM frames may be transmitted only during the ATIM window.

ACKs are required for unicast ATIM frames.

ACKs are not required for multicast ATIM frames.

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Open Problems

Synchronization Timer Synchronization in an Infrastructure BSS

Beacon contains TSF Station updates its with the TSF in beacon.

Timer Synchronization in an IBSS Distributed. Starter of the BSS send TSF zero and increments. Each Station sends a Beacon

– Station updates if the TSF is bigger.

clock drift (asynchronous)

Handover 802.11 only allows hard handover (thus, causing long delay)

To support soft handover, a STA must frequently scan new AP’sCombine Power Saving Periods with Scanning

Performance impact of ATIM length

More work must be done in Ad Hoc Mode

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Propuestas del Grupo GRC (III)

[Cano2006] Juan-Carlos Cano, Pietro Manzoni, Dongkyun Kim, C.K. Toh, "A Low-Complexity Routing Algorithm with Power Control for Self-Organizing Short-Range Wireless Networks", Wireless Personal Communications.

We propose a hierarchical cluster-based protocol architecture that integrates routing aspects with energy saving issues We start the proposal for Mobile Ad Hoc Networks (MANETS) Our long term objective is to propose a protocol architecture that

integrate in a connected bounded environment PAwNs and LAwNs

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Solución propuesta

Mobile Network Framework (MNF) Algoritmo de control de topología de la red Algoritmo de control de energía Algoritmo de encaminamiento

Algoritmo de control de topología de la red Objetivo: permita utilizar técnicas de consumo

eficiente sin afectar a las actividades de encaminamiento

Agrupa las estaciones de la red alrededor de una estación denominada cluster leader (CL) creando una estructura de clusters

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Solución propuesta

Mobile Network Framework (MNF) Algoritmo de control de topología de la red Algoritmo de control de energía Algoritmo de encaminamiento

Algoritmo de control de energía Objetivo: reducir el consumo de energía de las

estaciones de la red. Utilizará la estructura de clusters para:

Reducir el consumo debido a las actividades de overhearingReducir el consumo debido a las actividades en modo Idle

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Solución propuesta

Mobile Network Framework (MNF) Algoritmo de control de topología de la red Algoritmo de control de energía Algoritmo de encaminamiento

Algoritmo de encaminamiento Objetivo: Encaminar paquetes entre estaciones de la

red de forma eficiente Utilizará la estructura de clusters para

Realizar el encaminamiento dependiendo de la posición relativa de las estaciones en la red

– Utiliza un mecanismos de broadcast eficiente

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Arquitectura MNF propuesta

Arquitectura basada en clusters con dos niveles:

Nivel de dominio y nivel de cluster

Criterios de diseño:Nivel de cluster:

– Algoritmo de clustering de 1 salto que beneficie el tráfico local entre miembros del grupo

Nivel de dominio:– Algoritmo de

encaminamiento basado en mecanismos de difusión eficiente

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Algoritmo de control de topología de la red

MNF considera DOMINIOS áreas limitadas (campus universitarios, centros de convenciones ...) donde se concentran estaciones con comunicación inalámbrica

MNF considera un cluster como un grupo de estaciones cuya distancia máxima entre dos estaciones cualesquiera es 1 (MODELO DE COMUNICACIÓN EN GRUPO)

Cada uno de los cluster tiene una estación especial denominada Cluster Leader (CL) que actúa como estación coordinadora del cluster

– Ejecuta los procedimientos de mantenimiento del cluster– Permite los mecanismos de bajo consumo– Implementa las actividades de encaminamiento

La estación CL se distribuye utilizando un algoritmo que permita prolongar el tiempo de funcionamiento de todas las estaciones del cluster

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Creación de clusters

• Objetivo— Crear una estructura de cluster

estable

• Mecanismo — Inicialmente cada estación crea un

nuevo cluster actuando como Cluster Leader

— Cluster Leaders envían periódicamente paquetes HELLO

— Las estaciones se unen o abandonan un cluster en función de:

Tamaño del cluster y posición relativa

• Condiciones del cluster— A) Una estación esta de forma estable

en el estado Leader Leader o el estado NodeNode

— B) Solamente una estación actúa como estación leader Cluster Cluster LeaderLeader

— C) Todas las estaciones conocen a la estación Cluster Leader

— D) Una estación solo pertenece a un cluster

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Distribución de la tarea de CL

Objetivo Distribuir la estación CL entre todas las estaciones del

cluster para no sobrecargar una estación individual y prolongando el tiempo de operación de las estaciones

Se utiliza un índice de consumo similar al utilizado por el algoritmo de selección de rutas MDR

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Distribución de la tarea de CL

Mecanismo: Cada estación mide la energía consumida durante T segundos Evalúa la tasa de consumo considerando valores de consumo

actuales y pasados

Cada estación estima el tiempo de expiración de la batería en función de la tasa de consumo y la capacidad de batería actual

Las estaciones CL envían periódicamente su tiempo de expiración como parte del mensaje HELLO

Las estaciones del cluster con un tiempo de expiración mayor pueden solicitar ser la nueva estación CL con un mensaje LEADER REQUEST

Se deben cumplir las 4 condiciones de cluster

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Detalles de implementación

La versión actual del algoritmo de control de topología utiliza 7 mensajes diferentes Hello, Bye, Add, Lost, Ready, Leader y Data

Requiere que cada estación almacene una estructura de datos Cluster Control Block (CCB) con la siguiente información Estado de la estación. (ccb.status) Tamaño del cluster. (ccb.size) Identificador de la estación CL del cluster. (ccb.clid) Identificadores de las estaciones miembros del cluster.

(ccb.mlist) Identificador de la estación que está ejecutando los

procedimientos de unión con el cluster. (ccb.add) Índice de tasa de consumo de la estación. (ccb.mdr)

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Consideraciones del algoritmo de topología

Clusters versus grupos de estaciones Los algoritmos de control de la topología de la red

basados en la utilización de clusters se adaptan a aquellas aplicaciones que se caracterizan por una agrupación lógica en grupos

Grupos de rescate en áreas catastróficasAsistentes a reuniones de trabajo

En estos entornos el movimiento en grupo de las estaciones reduce el número de cambios de la topología de la red

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Consideraciones del algoritmo de topología

Algoritmo de control de topología de MNF Está especialmente diseñado para su utilización en

entornos que utilizan modelos de movimiento en grupo En estos entornos el tráfico de la red presenta

características de una alta localidad. Este enfoque permite su aplicación directa en un amplio

rango de escenarios reales Entornos de reciente interés entre la comunidad

investigadora Journal on Communications and Networks. Call for paper

July 2004, special issue on group communication in MANETs

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Algoritmo de control de energía

Objetivo Utilizar la topología de la red basada en clusters para

implementar técnicas de consumo eficiente de energía que permitir reducir de energía de aquellas operaciones que presentan un mayor consumo del interfaz inalámbrico

Consumo de las actividades de overhearingConsumo en modo Idle

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Problema de las actividades de overhearing

El consumo total depende de las actividades de recepciónActividades de recepción = Recibir + Overhearing

Problema del Overhearing

Totalenergy = Energytx + N * Energyrx.

(N=número de vecinos)

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Reducción del consumo de overhearing

Idea básica: Reducir la energía consumida por las actividades de

Overhearing de los paquetes de datos Mecanismo

El mecanismo debe permitir que las estaciones puedan desactivar su interfaz de red

¿Cuándo?, ¿Por cuánto tiempo? ¿Cuándo?, ¿Por cuánto tiempo? – Información del protocolo MAC IEEE 802.11

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Reducción del consumo de overhearing

Cada estación de un cluster que detecta el intercambio de paquetes RTS/CTS Identifica la dirección de la estación destino Espera que comience el intercambio de datos

(escuchando la cabecera del paquete) Si no es la estación destino:

Inhabilita su interfaz de red durante la transmisión de los datos

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Consideraciones del mecanismo

La evaluación realizada de este mecanismo indica que se requiere de una transición on-off-on por cada uno de los paquetes de datos transmitidos El coste de las transiciones afectan al mecanismo El mecanismo no reduce el consumo de las operaciones

en modo Idle

Mecanismo de sincronización a nivel de Mecanismo de sincronización a nivel de clustercluster

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Sincronización a nivel de cluster

Objetivo Permitir la reducción de energía debido a la actividad en modo

Idle, permitiendo que las estaciones permanezcan en modo de bajo consumo periodos de tiempo mayores

Mecanismo Las estaciones informan a las estaciones Cluster Leader el

número de periodos HELLO que permanecerá en modo de bajo consumo

En modo de bajo consumo: La estación Cluster Leader almacena los paquetes dirigidos a las

estaciones que se encuentran en modo de bajo consumo Cuando las estaciones se activan:

La estación Cluster Leader entrega los paquetes almacenados La estrategia final es activar o desactivar el mecanismo de

reducción de consumo dependiendo de las características del tráfico

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Nuevo modelo de consumo de energía

ORINOCO/IEEE Turbo 11 Mb PC, 11Mbps Modelo anterior:

Se ha incorporado al modelo anterior el consumo debido a las operaciones en modo Sleep

Esleep(t) = (75 mW * t) + (1200 mW * 5 * 10-3 * n)

Etx(p) = 1400 mW * tp

Erx(p) = 1200 mW * tp

Eover(p) = 1200 mW * tp

Eidle(t) = 1100 mW * t

t = tiempo; n = número de transiciones idle-sleep o sleep-idle

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Algoritmo de encaminamiento

Funcionamiento Encaminamiento utilizando las estaciones Cluster

Leaders Mecanismos eficientes de difusión y eliminación de

paquetes Optimizaciones

Control del número máximo de saltos Energía de transmisión intra e inter-cluster

Cluster Leader:Si destino cluster

Almacenar o enviar a destinoSino reenviar en modo broadcast

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Nuevo modelo de energía

ORINOCO/IEEE Turbo 11 Mb PC, 11Mbps Se ha modificado el modelo de energía contemplando el

consumo debido a la transmisión intra-cluster (80 –120 m) e inter-cluster (250 m)

Pinter = Pe + PRF = 1200mW + 200mW = 1400mW Pintra = Pe + PRF = 1200mW + 50mW = 1250mW

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Metodología de evaluación

Evaluar la bondad de la arquitectura MNF Evaluación del algoritmo de control de topología y energía Evaluación completa de MNF

Patrón de escenario50 estaciones inalámbricas500m x 500mCluster: 80 a 100 metros

Patrón de movimientoRandom Waypoint Group Mobility Model

Patrón de tráfico12 conexiones CBR,

– 12 paquetes/seg (512 bytes)70% tráfico intra cluster, 30 % inter cluster

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Generación de los modelos de movilidad

Se ha diseñado un generador de modelos de movimiento basados en grupos denominado grcmob (compatible con el simulador ns-2)

Random Waypoint Group Mobility Model Este modelo extiende el modelo de movilidad de estaciones

individuales (Random Waypoint) aplicándolo a un grupo de estaciones,

Este modelo, caracteriza el movimiento de los grupos de estaciones utilizando dos parámetros: la velocidad máxima y el tiempo de espera entre movimientos o tiempo de pausa

La utilización de un modelo de comunicación en grupo permite caracterizar el tráfico de la red como tráfico inter-cluster y tráfico intra-cluster

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La herramienta Grcmob [Grcmob04]

[Grcmob04] , Juan-Carlos Cano and Pietro Manzoni, “Grcmob: a Group Mobility Scenario Generator,” code available at http://www.grc.upv.es.

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Modeling: The CityMob tool

We designed a mobility pattern generator, called CityMob. The tool allows to modify the following parameters:

The model used The number of nodes The time simulated The maximum speed of the nodes The size of the area The distance between the streets The number of damaged nodes The size and position of the Downtown (only in DM) The probability that a node is in Downtown (only in DM)

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VANETS

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Modeling: Example of the Downtown model

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• Models random direction changes

• Simulates semaphores at random positions (not only in crossing), and with different delays

• Adds traffic density. Vehicles must move more slowly than in the outskirts

• User can change the probability of a node being located inside the downtown area

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Ejemplo de modelos de movimiento en grupo

Capturas de la herramienta nam, que representa la evolución de la red de uno de los escenarios que utilizan el modelo Random Waypoint Group Mobility Model

Modelos implementados Random Waypoint Group Mobility Random Direction Group Mobility Manhatan Group Mobility Pursue Group Mobility

12

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81 Evaluación del algoritmo

Objetivo Evaluar las prestaciones del algoritmo de topología en

un escenario de dominio único con respecto a una red WLAN IEEE 802.11b

Se ha deshabilitado el protocolo de encaminamiento y se ha asumido un protocolo de encaminamiento ideal

Se han estudiado cuatro configuraciones diferentes del algoritmo de control de topología Activando o no los mecanismos de bajo consumo (S+,

S-) Activando o no el algoritmo de distribución de estación

CL (CL+, CL-)MNFS+CL+, MNFS-CL-, MNFS+CL-, MNFS-CL+

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Consumo de energía: Impacto de la tasa de envío

Se ha variado la tasa de envío de las 12 fuentes CBR desde 12, 9, 6 y 3 paquetes/segundo

Consumo de energía: MNFS+CL- y MNFS+CL+ reducen el consumo de energía en un

30% WLAN 802.11, MNFS-CL- y MNFS-CL+ obtienen prestaciones

similares (La sobrecarga del algoritmo de topología es mínima)

0

200

400

600

800

Tasa de envío

En

erg

ía (

Jo

ule

s)

802.11 BSS 623,2625926 541,0684049 468,7876161 390,3218971

MNFs-cl- 620,9553523 539,6851729 468,0985894 390,3745141

MNFs-cl+ 620,9314065 539,4884675 468,0941381 390,3846061

MNFs+cl- 280,4185348 227,0731695 170,5181091 107,1020161

MNFs+cl+ 280,4883531 226,852906 170,5150198 107,1015691

12 paquetes/s 9 paquetes/s 6 paquetes/s 3 paquetes/s

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Consumo de energía por operación

Se ha clasificado la energía consumida en función del estado de las estaciones con la configuración MNFS+CL- La energía en modo Idle aumenta a medida que se reduce la

tasa de envío. En escenarios que no requieran elevada tasa de envío, se

pueden aplicar técnicas más agresivas la energía consumida por los paquetes del algoritmo MNF

solamente representan alrededor de un 0.075% del consumo total

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Tiempo de expiración de las estaciones

La configuración MNFS+CL+

Ayuda a distribuir la energía consumida entre todas las estaciones que forman parte de cada cluster prolongando así el tiempo de vida de las estaciones.

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Evaluación completa de MNF

Objetivo Evaluar la bondad de MNF considerando tanto el

consumo de energía como las capacidades de encaminamiento

Se comparan las prestaciones de MNF con respecto al protocolo DSR

Se han evaluado dos configuraciones diferentes de MNF MNFS+ utiliza como algoritmo de topología la

configuración MNFS+CL+

MNFS- utiliza como algoritmo de topología la configuración MNFS-CL+

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Impacto de la tasa de envío

Se ha variado la tasa de envío de las 12 fuentes CBR desde 12, 9, 6 y 3 paquetes/segundo

Consumo de energía: MNFS+ reducen el consumo de energía 21%

Algoritmos de control de energía + topología estable

MNFS- obtiene prestaciones similares al protocolo DSR

Tasa paquetes similar aDSR debido a unalgoritmo de topología estable

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Impacto de la velocidad de las estaciones

Se ha modificado la velocidad de las estaciones desde 1, 2, 5 hasta 10 m/s. MNFS+ reduce el consumo alrededor de un 20% Paquetes entregados: depende de la interacción entre

clustersA medida que aumente la interacción entre clusters aumenta la

tasa de paquetes perdidos El protocolo DSR mejora ligeramente la tasa de paquetes

correctamente entregados con respecto a los protocolos MNFS- y MNFS+ pero solamente en un 0.5% y un 1% respectivamente.

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Impacto del rango de transmisión

Se compara el retardo medio de los paquetes de datos utilizando los protocolos DSR y MNFs-

Se han duplicado el número de fuentes CBRMNFS- reduce el retardo extremo extremo en un 55%

MNFS- reduce la potencia de transmisión en el área de cluster, permitiendo una mayor utilización del canal

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Impacto del rango de transmisión

Se compara el retardo medio de los paquetes de datos utilizando los protocolos DSR y MNFs-

Se han duplicado el número de fuentes CBRMNFS- reduce el retardo extremo extremo en un 55%

MNFS- reduce la potencia de transmisión en el área de cluster, permitiendo una mayor utilización del canal

Ptx = 1400mW

1 2

4

5

DSR

0

3

6

7

Ptxcluster = 1250mW

1 2

4

5

CERA

0

3

6

7

250 m 100 m

MNFDSR

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Conclusiones

Se ha propuesto una arquitectura MNF El aspecto más novedoso consiste en la integración del

encaminamiento con control de energía y control de topología en redes MANETs

Evaluación de prestaciones de MNF Reduce el consumo de energía en hasta un 25% Mantiene las capacidades de encaminamiento Sobrecarga mínima

Mecanismos de conservación de energía Siempre hay un compromiso entre eficiencia y prestaciones Mecanismos de reducción de energía agresivos pueden afectar

a otros índices de prestaciones tales el retardo extremo-extremo

Durante el desarrollo y evaluación de la arquitectura MNF se han puesto de manifiesto algunas características directamente relacionadas con dicho compromiso.

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Trabajo futuro

Una vez demostrada vía simulación la bondad de la arquitectura MNF, se esta trabajando en la implementación de un prototipo de la arquitectura MNF

En paralelo con la implementación se deben seguir invirtiendo esfuerzos de investigación en los siguientes aspectos: Estimación del tiempo en modo sleep Métodos de sincronización de cluster Técnicas eficientes de broadcast como parte del protocolo

de encaminamiento entre cluters Integración de tecnologías e interconexión con redes fijas