Métricas de roteamento conscientes da energia para redes ad hoc. Diogo Lino P. Machado Julho/2010

Transcrição

1 Métricas de roteamento conscientes da energia para redes ad hoc Diogo Lino P. Machado Julho/2010

2 Agenda Objetivo; Introdução Métricas Energy-Efficient; Protocolos com métricas conscientes da energia; Uma breve comparação das propostas apresentadas; Trabalhos Futuros;

3 Objetivo Apresentar métricas de roteamento que levam em conta a energia residual dos nós; Apresentar diversos algoritmos e protocolos que visam a maximização do tempo de vida da rede; Apresentar uma comparação entre os distintos métodos apresentados;

4 Introdução Protocolos de roteamento tradicionais selecionam o melhor caminho com base no número de saltos, taxa de perda, overhead de mensagens, etc. Estes protocolos podem levar à diminuição do nível de bateria dos nós que integram a rota; Vários estudos focam o desenvolvimento de algoritmos e protocolos que visam a diminuição do consumo energético dos nós. Dentre as propostas, podemos citar Controle da Topologia, Adaptação da camada MAC e Métricas de Energia ; O objetivo das métricas de energia é a seleção de caminhos com maior reserva de energia sem a saturação dos nós que formam o caminho;

5 Métricas conscientes da energia Energia consumida por pacote: O objetivo é minimizar a energia consumida por pacote transmitido. O algoritmo considera o caminho de menor potência entre origem e destino. A métrica é chamada de Minimum Total Transmission Power Routing MTPR. Após certo tempo de operação, a energia da rota escolhida será saturada; Custo por pacote: A métrica reflete a quantidade de bateria remanescente no nó. Informação inferida a partir da curva de descarga da bateria. Previne a utilização exclusiva de determinado caminho e maximiza o tempo para a partição da rede. A métrica é chamada de Minimum Battery Cost Routing (MBCR);

6 Métricas conscientes da energia Máximo custo por nó: Esta métrica, chamada de Max-Min Battery Cost Routing (MMBCR), tenta evitar caminhos com nós cujas baterias estejam em níveis muito baixos. Introduz o conceito Max-Min. MBCR poderia levar à partição da rede rapidamente escolhendo a rota 1;

7 Métricas conscientes da energia Conditional Max-Min Battery Cost Routing (CMMBCR): Estabelece um limiar γ que define a utilização de MTPR ou MMBCR. Caso o nível da bateria dos nós seja alto, utilizar MTPR. Caso contrário, utilizar MMBCR; γ grande garante maior proteção da capacidade da bateria e leva à diminuição do tempo de vida médio da rede; γ pequeno incorre na saturação dos nós do melhor caminho; Introduz o compromisso entre a rota de mínimo consumo de potência e máximo tempo de vida da rede;

8 Power Aware Source Routing Protocol (PSR) Baseado no protocolo DSR. O custo do caminho considera a potência de transmissão e o nível da bateria do nó; O custo do enlace é inserido na mensagem RREQ. Dentro de determinado tempo, pacotes RREQ sucessivos são analisados e a tabela de roteamento é atualizada caso verifique-se um custo menor para o destino; A manutenção de rotas pode ser Global ou Local e compara o nível da bateria dos nós vizinhos com um limiar prestabelecido. No método Global, o host de origem realiza um polling para todas os destinos presentes em sua tabela. Na abordagem local, cada nó verifica o nível de sua bateria e caso seja inferior ao limiar, o próprio nó envia uma mensagem de erro o que implica num novo processo de descobrimento de rotas;

9 Algoritmo Max-Min Z Pmin Agrega os benefícios da seleção do caminho com menor consumo de potência e máxima energia residual; Requer o conhecimento do nível de energia de todos os nós da rede; Só considera os períodos ativos (Tx e Rx) negligenciando os períodos de ociosidade; Representação baseada em grafos G(V,E); Sendo u e v, origem e destino, P 0 a potência inicial de u, w(u,v) a potência requerida para se transmitir de u para v e P t a potência em u após a transmissão para v: E u,v,t = Pt - w(u,v) / P0 E u,v,t é a fração da energia residual;

10 Algoritmo Max-Min Z Pmin Passos do algoritmo: 1. Encontre, na rede completa, o caminho com menor consumo de potência, Pmin,utilizando Dijkstra; 2. Encontre o caminho com menor consumo de potência, Pi, no grafo G; Caso P i > z * Pmin ou não exista caminho no grafo, o caminho anterior com Pi-1 é usado, pare; 3. Encontre o mínimo Eu,v,t no caminho e o atribua a Emin; 4. Encontre todos os pares (u,v) com potência residual < Emin e os elimine do grafo; 5. Volte para o passo 2 z*pmin é o máximo consumo de potência e E min a mínima energia residual; z estabelece o compromisso entre o consumo de potência e energia residual;

11 Maximum Residual Packet Capacity (MRPC) A seleção da melhor rota é feita analisando o nível da bateria dos nós e a potência necessária para transmissão com determinada taxa de erro; O custo de determinado enlace é diretamente proporcional à reserva de energia (parâmetro específico do host) e inversamente proporcional à energia necessária à transmissão (parâmetro específico do enlace). A energia considera a probabilidade de erro do canal; Possui abordagem similar ao MMBCR. O tempo de vida de determinado caminho está relacionado ao mínimo custo deste caminho ( elo mais fraco da corrente ). MRPC busca o máximo custo mínimo; Mudanças no padrão de tráfego podem tornar os caminhos selecionados em não ótimos; A desconsideração (por outros protocolos) da probabilidade de erro associada ao canal faz com que o custo do enlace considera apenas a potência necessária para se transmitir um pacote e desconsidera a energia desprendida em eventuais retransmissões; Possui abordagem codicional (CMRPC). Neste caso, define-se um limiar que estabelece o compromisso entre a mínima potência de transmissão (MTPR) e MRPC;

12 Maximum Residual Packet Capacity (MRPC) Para cada vizinho j, calcule o custo CA,j; Para cada vizinho j, calcule o menor custo total entre A e D, Life (A,j) = min (CA,j, Life j); Selecione o próximo salto para D através de j, tal que Life (A,j) seja máximo;

13 Algoritmo CMAX Motivado pelo Max-Min z Pmin. Também possui representação em grafo; O objetivo é maximizar o número de mensagens transmitidas; Requer o conhecimento do nível de energia em todos os nós da rede; Introduz o conceito de controle de admissão (fator σ); Assume mensagens de diferentes tamanhos e não considera nenhum padrão para o recebimento de mensagens (algortimo offline); Possui menor complexidade computacional; e i,j é a energia necessária para se transmitir uma mensagem de i para j. E i é a energia inicial do nó i e E i (k) é a energia residual do nó i no instante em que a mensagem k é gerada. α i (k) = 1 E i (k) / E i é a fração da energia presente em i após a transmissão de k;

14 Algoritmo CMAX Passos do algoritmo: 1. Eliminar os enlaces (arestas do grafo) cuja energia residual E i (k) < e i,j * l k ; 2. Associe a cada enlace (i,j) o peso w i,j, tal que w i,j = e i,j (λ α i(k) - 1); 3. Encontre o menor caminho (de acordo com o peso dos enlaces w i,j ) da origem s k e destino d k para G reduzido e atribua o menor caminho àγ k ; 4. Se γ k =, nenhuma rota foi encontrada; Se (γ k < σ), rotear k senão descartar k ; O algortimo evita caminhos com grande consumo de potência (parâmetro e i,j ) e baixa reserva de energia (parâmetro α i (k)); σ implementa o controle de admissão. A rota de melhor custo pode ainda não ser selecionada, caso os recursos da rede não estejam disponíveis;

15 AODV consciente da energia Adaptação na retransmissão de mensagens RREQ Modifica o mecanismo de funcionamento do protocolo AODV. Cada nó possui um tempo de retransmissão T que é função do nível da energia do host; Nós com alta reserva de bateria transmitirão a mensagem RREQ primeiro; Nós que estão em T, ao receberem um pacote RREQ retransmitido, cancelam a contagem do tempo T; O atraso na retransmissão dos pacotes RREQ é irrelevante no tempo de seleção de rota; Diminui a quantidade de mensagens de controle e reduz o consumo energético nos nós;

16 AODV consciente da energia Uma nova métrica Modifica o formato das mensagens RREQ (<end origem, broadcast id, end destino, Custo>) e RREP; O custo das rotas é função da quantidade de energia residual e da quantidade de saltos; Quando a energia de um nó n cai a determinado nível, n envia mensagem de erro (RETD) a seus vizinhos que invalidam os caminhos para n; Mensagens RREQ subseqüentes são analisadas e caso seja verificado melhor custo, a tabela de roteamento é atualizada;

17 Minimum Drain Rate (MDR) Considera a energia consumida nos períodos de Tx, Rx e escuta da rede; Pode ser adaptada a qualquer protocolo de roteamento; Implementa controle de admissão com base na taxa de dreno (taxa de dissipação da energia) e no nível da energia residual. A razão entre estes parâmetros representa o tempo de vida do host; A fim de contemplar informação da potência de transmissão, pode ser implementado com abordagem condicional (similar ao CMMBCR);

18 Energy Efficient OLSR Protocolo de roteamento proativo. Somente nós selecionados como MPRs (Multipoint Relay) difundem o tráfego de controle da rede. As mensagens hello possuem um campo chamado willingness que refletem a tendência do host em se transformar em MPR; Busca maximizar o tempo de vida da rede condicionando o campo willingness à capacidade da bateria e tempo previsto (baseado na taxa de dreno). A combinação destes dois parâmetros define a probabilidade do nó em ser escolhido como MPR; Pode ter seu funcionamento integrado às métricas MTPR, MMBCR e MDR;

19 Comparação entre as Propostas apresentadas MTPR considera a rota de menor consumo e não garante a maximização do tempo de vida da rede; MMBCR introduz o conceito Max-Min utilizado por outros protocolos; CMMBCR introduz o compromisso entre mínimo consumo de potência e o nível de energia residual dos nós; Max-Min z Pmin estabelece a máxima potência de transmissão, abaixo da qual analisa-se a energia residual dos nós; MRPC possui maior precisão nos cálculos considerando a probabilidade de erro do canal de transmissão. Ao negligenciar este parâmetro, outras propostas não consideram a energia consumida com eventuais retransmissões; CMAX introduz a funcionalidade de controle de admissão. Também considera em sua métrica o nível da bateria e a potência de transmissão. Possui desempenho superior ao Max-Min z Pmin; MDR tenta estimar o tempo de vida do nó. Também utiliza o conceito Max-Min;

20 Trabalhos futuros Aprofundar o estudo sobre o protocolo EE-OLSR e realizar simulações num ambiente controlado de forma a avaliar os resultados relacionados ao tempo de vida da rede e ao número de mensagens transmitidas. Este trabalho futuro visa à investigação de uma proposta adequada ao Módulo de Sobrevivência do Projeto Remote coordenado pelo Laboratório Midiacom.

21 Obrigado! Perguntas?