Rețele Ad Hoc și rețele de senzori

1. Introducere

UWB permit comunicarea simultană pentru un număr mare de utilizatori, la rate de bit mari. Rezoluţia temporală mare ofere robusteţe şi este utilă în special pentru aplicaţiile care ţin de reţelele locale (LAN).

UWB este capabilă să refacă informaţia de distanţă cu o precizie mare. Datele privind distanţa şi poziţia sunt utile în organizarea reţelelor wireless, oferind o administrare mai bună a resurselor şi rutării. Semnalele reţelelor UWB sunt împrăştiate pe lăţimi de bandă foarte mari şi se suprapun cu servicii de bandă îngustă. În consecinţă, organismele de reglementare impun limitări stricte reţelelor de bandă largă cu privire la densităţile de putere, pentru a evita interferenţele provocate de UWB sistemelor de bandă îngustă coexistente. Aşadar, este necesar să se ia în considerare puterea atunci când se proiectează sistemele UWB.

În ultimii ani, s-a observat un interes tot mai mare pentru aplicaţiile bazate pe reţelele ad-hoc, ceea ce a dus la eforturi considerabile pentru introducerea conceptului de monitorizare a energiei în proiectarea MAC (medium access control) şi a protocoalelor de rutare. Reţelele ad-hoc sunt considerate ca o soluţie viabilă pentru cazurile în care nu sunt disponibile infrastructuri fixe şi surse de putere nelimitată. În astfel de cazuri, sursele de putere limitate din fiecare terminal trebuie administrate eficient pentru ca reţeaua să aibă durată de viaţă acceptabilă. Un exemplu este reţeaua de senzori, pentru care una dintre cerinţele de bază, este durata de viaţă mare a bateriei.

O altă metodă utilă de a realiza monitorizarea energiei în reţelele ad hoc se bazează pe informaţia privind localizarea.

2. Reţele UWB eficiente

2.1 MAC-uri eficiente din punct de vedere al puterii

CSMA (carrier sensing multiple access) se bazează pe un timp de sesizare a

canalului, realizat de fiecare terminal înainte de a începe transmisia. Performanţa obţinută de CSMA este puternic afectată de două fenomene:

- terminalul ascuns

- terminalul expus

Pentru a rezolva aceste două probleme, au fost propuse mai multe soluţii de a

înlocui CSMA cu o altă metodă. De exemplu protocolul MACA (multiple access with collision avoidance), care înlocuieşte procedura de depistare a purtătoarei cu legătură „three-way handshake” între transmiţător şi receptor. Pornind de la protocolul MACA, mai multe variante au fost dezvoltate, cum sunt MACAW şi MACA-BI (MACA – cu invitaţie).

Implementarea practică a protocoalelor MAC combină „handshake”cu depistarea purtătoarei („carrier sensing”), aşa cum foloseşte protocolul FAMA (floor acquisition multiple access). Aceste protocoale sunt cunoscute şi sub denumirea de „CSMA cu evitarea coliziunii” (CSMA-CA). Un exemplu de CSMA-CA este DFWMAC (distributed foundation wireless MAC), care este folosit pentru nivelul MAC a standardului 802.11 IEEE.

O alternativă pentru CSMA-CA este protocolul de semnalizare în afara benzii (out-of-band signaling protocol), în care lăţimea de bandă disponibilă este împărţită în două canale:

- un canal de date, folosit pentru schimbul de pachete

- un canal de semnalizare de bandă îngustă, în care semnalele sinusoidale (busy tones) sunt transmise de terminalele emiţătoare / receptoare, pentru a evita interferenţele produse de terminalele ascunse. Pentru a reduce numărul de terminale expuse, s-a propus folosirea a două semnale busy tones diferite, unul pentru emitere, iar altul pentru recepţionare.

În reţelele wireless de bandă îngustă, metoda cea mai des întâlnită este CSMA-CA. Această familie de protocoale are totuşi mai multe dezavantaje privind consumul de putere:

- coliziunea pachetelor, care determină un consum mare de putere datorită retransmiterii

- terminale blocate în starea de aşteptare de către transmisiile active

- overhearing – consumator de putere prin faptul că pachetele sunt recepţionate de către terminale cărora nu le-au fost destinate.

Pentru a rezolva aceste neajunsuri, mai multe protocoale au fost propuse, dintre

care trebuie menţionat protocolul PAMAS (protocol with signaling for ad hoc networks). Pentru a minimiza timpul în care un terminal este în starea idle, adică fără a transmite sau fără a recepţiona, protocolul PAMAS combină abordarea CSMA cu principiul în afara benzii (out-of-band). Protocolul foloseşte:

- un canal de control, în care are loc „handshake” între emiţător şi receptor

- un canal de date, în care se face schimbul de pachete de date.

Canalul de control permite terminalelor să ia decidă când pot trece în modul sleep

în siguranţă, pentru a economisi astfel puterea, fără a afecta traficul de date.

Ideea de bază a protocolului PAMAS este următoarea: dacă un nod vede că, canalul de control este ocupat, atunci el trece în modul sleep, în loc să irosească puterea în modul idle, în care oricum nu poate face schimbul de pachete. Protocolul defineşte handshakes dedicate, care permit terminalele să ştie cât timp pot păstra interfaţa radio oprită. Testele au arătat că această abordare duce la o economisire a puterii de până la 70 %, comparativ cu protocolul MACA.

PAMAS exploatează prezenţa pauzelor în durata de viaţă a terminalului, pentru a economisi energia fără a afecta întârzierea sau transferul de date.

2.2 Rutarea eficientă din punct de vedere al puterii

Rutarea cu consum redus de putere este un subiect important în distribuirea reţelelor cu senzori şi ad hoc. Majoritatea protocoalelor pentru monitorizarea puterii se bazează pe metode de rutare cu consum eficient de putere sau pe exploatarea informaţiei adiţionale – cum este localizarea terminalelor în reţea. În ambele cazuri, scopul final este găsirea căilor dintre sursă şi destinaţie, care minimizează consumul de putere.

Rutele bazate pe monitorizarea puterii au în vedere:

- puterea disipată pentru transmisie

- suma dintre puterile transmisă şi primită

- puterea reziduală din fiecare nod.