Directional Routing Protocol (DRP)

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1 Directional Routing Protocol (DRP) Natanael Delgado de Freitas 1 1 GTA PEE - COPPE Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Caixa Postal Rio de Janeiro RJ Brasil {natanael}@gta.ufrj.br Resumo. O protocolo Directional Routing Protocol (DRP), desenvolvido para utilização em redes Ad Hoc móveis (MANET), é um protocolo de roteamento direcional sob demanda que utiliza uma interação cruzada entre as camadas de acesso ao meio (MAC) e de roteamento. Este trabalho apresenta as características principais do DRP, que são o mecanismo de descoberta de rota, o estabelecimento e a manutenção de tabela de roteamento direcional (DRT) e de tabela de vizinhança (DNT) e um novo mecanismo de recuperação de rota direcional. 1. Introdução A maioria dos protocolos existentes de acesso ao meio para redes Ad Hoc móveis (MANETs), incluindo o IEEE , tipicamente assumem o uso de antenas omnidirecionais por todos os nós. Usando transmissão omnidirecional, há distribuição de energia em todas as direções, incluindo direções diferentes da que se deseja transmitir, é gerada interferência em outros nós e é reduzida a capacidade da rede. Com o uso de transmissão direcional, a distância da transmissão e o reuso espacial são melhorados devido à concentração de energia somente na direção que se deseja transmitir, melhorando a relação sinal-ruído. Com antenas direcionais, novos tipos de problemas como terminal escondido e surdez do nó apareceram. O Directional Routing Protocol (DRP) é um protocolo de roteamento direcional sobre demanda para MANETs que assume uma interação de camadas cruzadas entre as camadas MAC e de roteamento para melhor explorar os benefícios oferecidos pelos sistemas de antenas direcionais. As principais características do DRP incluem um eficiente mecanismo de descoberta de rota, o estabelecimento e a manutenção de tabela de roteamento direcional (DRT) e de tabela de vizinhança (DNT) e um novo mecanismo de recuperação de rota direcional. O restante deste trabalho está organizado da seguinte maneira. A seção 2 apresenta as principais características do protocolo DRP. No final são apresentadas a conclusão e a referência utilizada. 2. Directional Routing Protocol (DRP) O DRP é um protocolo de roteamento direcional sobre demanda baseado no protocolo omnidirecional Dynamic Source Routing (DSR) usado largamente em redes Ad Hoc Móveis (MANET). A pilha do protocolo DRP para um nó móvel é apresentada na figura 1.

2 Diferente do protocolo DSR que mantém somente a identidade (ID) dos nós em um caminho a partir do remetente, no DRP são mantidas as ID dos nós e a identidade dos feixes usados pelos nós para receber os pacotes no caminho a partir da origem (fonte). A ID do feixe é mantida na tabela de roteamento direcional (DRT) para aumentar a eficiência da recuperação da rota. O princípio básico do funcionamento do protocolo DRP é apresentado no exemplo da figura 2. Suponha que o nó A tem um pacote para enviar para o nó E. Após a descoberta de rota direcional o nó A encontra uma rota para E como {B(2), D(3), E(3)}, significando que a rota segue o caminho A, B, D, E, sendo utilizados os feixes 2, 3 e 3, respectivamente, das antenas dos nós B, D e E, para receber um pacote de uplink. Esta informação é armazenada na DRT do nó origem A (figura 2). O conteúdo da tabela de vizinhança direcional (DNT), observada na figura 2, é usado durante a varredura do Request to send - Clear to send (RTS-CTS). Em complemento a tabela compartilhada DNT, no DRP a camada de roteamento é informada dos diferentes feixes de antenas pela camada de acesso ao meio. A camada MAC tem buffers separados para cada feixe da antena e a camada de enlace mantém filas separadas para cada feixe (figura 1). Visando colocar um pacote na fila da camada de enlace correta, a camada de rede determina o feixe da antena que a MAC usará para a transmissão do pacote, por meio da DNT, e colocará o pacote na correspondente fila da camada de enlace para este feixe da antena. Os pacotes de broadcast são mantidos em fila separada dedicada. Figura 1. Pilha do protocolo DRP 2.1. Controle de acesso ao meio DRP O DRP utiliza um novo protocolo de camada de acesso ao meio para uso em redes Ad Hoc sem fio denominado MAC protocol for Directional Antennas (MDA), baseado no IEEE com a finalidade de solucionar os problemas de surdez e de terminal escondido [Gossain et al., 2005] Operações básicas do DRP São apresentados abaixo os módulos principais do protocolo DRP.

3 Descoberta de rota DRP O mecanismo de descoberta de rota no DRP funciona similar ao DSR. Para uma dada fonte X e um destino Y, se Y não está na DNT de X, X difunde um pacote de route request (RREQ) na rede. Quando um nó recebe um pacote RREQ, o nó dá a partida a um temporizador de atraso. Se o mesmo pacote RREQ é recebido novamente antes da expiração desse temporizador, o nó faz uma anotação de todos os feixes de onde aquele pacote chegou. O nó retransmite o pacote somente naquelas direções/feixes diferentes daquelas em que o pacote chegou. Por meio dos feixes selecionados, o DRP inicia a rebroadcast nos feixes que são diametricalmente opostos aos feixes onde o nó recebeu o pacote de broadcast. Depois, os feixes que são adjacentes a aqueles diametricalmente opostos são escolhidos. Isto continuará até que o feixe selecionado seja coberto. A seqüência de saltos executada pelo pacote RREQ, pela qual ele se propaga por meio da rede ad hoc durante a fase de descoberta de rota, é registrada em uma estrutura de dados, em um pacote chamado directional route record. O directional route record acrescenta ambas as ID do nó dos nós intermediários e da ID do feixe usada por esses nós para receber os pacotes de uplink. Para exemplificar, um nó intermediário Z que retransmite o pacote RREQ, também adiciona o feixe da antena pelo qual o nó Z recebeu o pacote em adição a sua própria ID. Figura 2. Exemplo do protocolo DRP Manutenção de rota DRP A função da manutenção de rota é monitorar a operação da rota para um destino e informar qualquer erro de roteamento ao remetente. Similar ao DSR, no DRP quando originado ou retransmitindo um pacote usando uma rota pela origem (fonte), cada nó transmitindo o pacote é responsável pela confirmação que o dado pode fluir sobre o enlace daquele nó para o próximo salto. Uma camada de enlace com confirmação como uma IEEE é usada para este fim. Em um ambiente direcional essa camada é necessária para distinguir entre o movimento de um próximo salto dentro dos limites de um alcance (onde o próximo salto é acessível por meio de um feixe diferente da antena)

4 e o movimento do próximo salto para fora dos limites alcançáveis. No primeiro caso, o emissor não necessita enviar um pacote de route error para trás até a origem, e deve tentar localizar o nó dentro dos seus limites. Por isso, no DRP, são usadas duas fases separadas para a manutenção da rota: a fase de rastreamento da localização, que é local para o nó, e a fase de recuperação de rota, que é executada pela origem. Se a fase de rastreamento da localização falha, o nó origem inicia a fase de recuperação de rota. Fase de rastreamento da localização: Devido aos contínuos movimentos dos nós, o feixe da antena usado pelo nó para alcançar seu próximo salto, e vice-versa, pode mudar, tornando-se necessário um procedimento para o rastreamento da localização. Suponha que o nó X está atualmente retransmitindo um pacote para o nó Y. Se a transmissão de um RTS de X para localizações prévias de Y (lê-se feixe da antena i ) falha por 3 tentativas consecutivas, o nó X tenta localizar Y em seus feixes da antena adjacentes para as tentativas restantes. Conseqüentemente, o 4º, o 5º, o 6º e o 7º RTS são enviados para os n feixe adjacentes, incluindo i. O valor de n depende da largura dos feixes da antena. Na figura 3, o nó Y é o nó intermediário entre os nós X e Z para um rota particular. A região sombreada é uma área onde Y pode movimentar e ainda manter um enlace com ambos nós X e Z. Se d é a separação entre os nós X e Z, e r é o raio de comunicação, então a região angular onde o nó X deve varrer para o nó Y é: 2*cos -1 (d/2r). Se d=1.000, então para um modelo de 8 feixes, este ângulo é cerca de 67º. Isto significa que o nó somente precisa realizar uma varredura no (i-1)-ésimo e o (i+1)- ésimo feixe. Para um modelo de 12 feixes, esse ângulo é de cerca de 90º e é necessário varrer os feixes (i-1), (i-2), (i+1) e (i-2). O DRP realiza varredura em diferente números de feixes, dependendo da largura do feixe. Figura 3. Handoff do feixe da antena Se todas as tentativas de retransmissão do RTS falham, uma interrupção do enlace é informada para as camadas superiores. No DRP, o nó primeiro tenta realizar uma local recovery após receber essa mensagem de interrupção do enlace. Na fase local recovery, o nó X primeiro identifica o segundo próximo salto no seu caminho (Z, na figura 3), por meio do cabeçalho do pacote, e gera um pacote RREQ para encontrar a rota para Z com limite de propagação máximo configurado para 2. Este pacote RREQ é enviado somente na direção (feixe) de Z e os nós intermediários que recebem este pacote supõe-se que também irão retransmitir o pacote naquela direção (feixe). O nó X

5 gera um pacote route error somente se a local route recovery falha. Normalmente resulta em geração de pacotes route error gerados por X na direção da origem. Entretanto, se o enlace interrompido é o último enlace na rota, então o pacote route error é imediatamente reportado. Fase de recuperação da rota: Após o recebimento de um pacote de route error de um nó, o nó origem S, primeiro tenta um zonal route repair para localizar seu destino. O conceito de zonal route repair é empregado para limitar a zona na qual o pacote RREQ é propagado. Com este propósito, na figura 2, o nó A primeiro estima a localização do nó destino relativo a ele mesmo. Considera-se que o nó A requer redescobrir a rota para E, que a rota prévia para E mantida no cache de rota de A era {B(2), D(3), E(3)} e que todos os nós são equipados com 4 feixes de antena. A inicia aproximando a posição relativa de B. Desde que B recebe um pacote de A no seu feixe de antena 2, por simetria B utiliza o feixe da antena 4 de A. Se a separação média entre os nós é R (metade da distância de transmissão dos nós), então B é assumido para ficar a distância R do ângulo bissetor do feixe 4 da antena de A. Por isso, as coordenadas de B, relativas a A são (Rcosx, Rsinx). Depois, as coordenadas de D e E são estimadas. Finalmente, A calcula a posição angular de E, relativa a ele mesmo. A então desloca este ângulo por 45º no outro lado. Ele enviará o pacote RREQ somente naqueles feixes nos quais ficam dentro deste ângulo. Conseqüentemente, A enviará pacote RREQ nos feixes 1 e 4. Supõe-se que todos os nós recebendo este RREQ irão retransmitir o RREQ somente nos feixes 1 e 4. Isto limita a zona de transmissão do RREQ. No caso em que o pacote zonal route repair falha, a origem reinicia a descoberta de rota, difundindo o RREQ ao longo da rede. 3. Conclusão O protocolo Directional Routing Protocol (DRP) foi desenvolvido para melhor aproveitar as potencialidades das antenas direcionais em MANETs. O DRP é um protocolo eficiente de roteamento direcional sob demanda que utiliza a interação cruzada entre as camadas MAC e de roteamento. Resultados iniciais apresentados em [Gossain et al., 2005] indicam um substancial decréscimo na latência na descoberta de rota, bem como diminuição no directional broadcast overhead do DRP quando comparado com outro protocolo (DDSR). O mecanismo de descoberta de rota no DRP previne degradações da vazão, devido aos freqüentes movimentos dos nós intermediários. 4. Referências [Gossain et al., 2005] Gossain, H., Joshi, T., Cordeiro, C. e Agrawal D. P. (2005) A Cross-Layer approach for designing directional routing protocol in MANETs In: Wireless Communications and Networking Conference, USA.