Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas inteligentes

TREBALL DE FI DE CARRERA TÍTOL: Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes. AUTOR: Virginia Valls Mancha DIRECTOR: Luis Alonso Zárate CO-DIRECTOR: Christos Verikoukis DATA: 5 de Setembre de 2005 Título: Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes. Autor: Virginia Valls Mancha Director: Luis Alonso Zárate Co-Director: Christos Verikoukis Fecha: 5 de Septiembre del 2005 Resumen Las redes ad-hoc son un conjunto autónomo y espontáneo de routers móviles, conectados por enlaces inalámbricos que no precisan de una infraestructura fija. Se proyectan para operar en ambientes hostiles e irregulares, y sus aplicaciones son extensas tales como redes de área personal, entornos militares, entornos ciudadanos y operaciones de emergencia. Estas redes plantean grandes retos técnicos y funcionales debido a la hostilidad del medio inalámbrico. Estas redes fueron inicialmente diseñadas para antenas omnidireccionales. Sin embargo, recientemente, se ha estudiado que las antenas direccionales pueden ser beneficiosas para este tipo de redes. Al direccionar las transmisiones se puede incrementar el rehúso espacial ya que dos nodos vecinos podrían comunicarse a la vez en diferentes direcciones. Desafortunadamente, las transmisiones direccionales incrementan los problemas de nodos ocultos, deafness, y la localización de los nodos vecinos. De esta manera, para utilizar las antenas direccionales se debe diseñar un protocolo específico ya que el protocolo MAC 802.11 fue diseñado para antenas omnidireccionales. El objetivo de este proyecto es el estudio de los protocolos MAC 802.11 con antenas direccionales de cara a diseñar uno nuevo que mejore el rendimiento del protocolo MAC 802.11 con antenas omnidireccionales. En el estudio de los protocolos MAC 802.11 para antenas direccionales se explican las diferentes propuestas que existen hasta ahora para solucionar problemas relacionados con localización de los nodos, nodos expuestos, nodos ocultos y deafness. El nuevo protocolo se compara con el protocolo MAC 802.11 con antenas omnidireccionales. Para ello se diseña un simulador escalable y se obtienen resultados del rendimiento dado por los dos protocolos en diferentes topologías. Title: Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes. Author: Virginia Valls Mancha Director: Luis Alonso Zárate Co-Director: Christos Verikoukis Date: 5th of September 2005 Overview An ad-hoc network is an autonomous and spontaneous set of mobile nodes, connected by wireless connections without the required intervention of any fixed infrastructure. These networks can be used in irregular and hostile environments and support many applications such as in personal area networks, military environments, commercial applications, rescue operations, etc. Such environment presents new technical and functional challenges. Previous research in wireless ad hoc networks typically assumes the use of omnidirectional antennas. However, recently, directional antennas have emerged as an alternative due to their beneficial advantatges in these networks. With directional antennas, two pairs of nodes located in each other’s vicinity may potentially communicate simultaneously, depending on the directions of transmission. This can increase spatial reuse of the wireless channel. Unfortunately, directional transmissions increase the problems of hidden nodes, deafness, and the location of neighbor’s nodes. So, a specific protocol must be designed to use directional antennas, because MAC 802.11 protocol was designed for the use of omnidirectional antennas. The goal of this project is to study the current MAC 802.11 protocols with directional antennas in order to design a new protocol. The improvement of the traditional 802.11 MAC protocol’s performance (using omnidirectional antennas) is expected. This work explains many current proposals about 802.11 MAC protocols with directional antennas. These proposals try to solve the problems related to location of the nodes, exposed and hidden terminal problems and deafness. The new protocol is compared to the traditional 802.11 MAC protocol. A scalable simulator is built to obtain performance results of the two protocols in different topologies. AGRADECIMIENTOS Mis más sinceros agradecimientos a los directores de este proyecto, Luis Alonso y Christos Verikoukis por la guía y consejos en la elaboración de este trabajo. También quiero agradecer, A mis padres y hermano A toda mi familia y amigos Por la ayuda, motivación y cariño durante estos meses. Finalmente dedico este proyecto a Jordi, que me ha apoyado en todo momento. ÍNDICE INTRODUCCIÓN ...............................................................................................1 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS REDES MÓVILES AD-HOC...............3 1.1. Definición ...........................................................................................................................3 1.2. Características...................................................................................................................3 1.3. Historia ...............................................................................................................................4 1.4. Aplicaciones.......................................................................................................................5 CAPÍTULO 2. ESTÁNDAR IEEE 802.11...........................................................7 2.1. Normas del Estándar 802.11.............................................................................................7 2.2. Nivel Físico 802.11.............................................................................................................8 2.3. Protocolo MAC 802.11.....................................................................................................10 CAPÍTULO 3. PROTOCOLOS MAC 802.11 PARA REDES AD-HOC CON ANTENAS INTELIGENTES.............................................................................15 3.1 Definición de antena inteligente ....................................................................................15 3.2 Protocolos MAC 802.11 con antenas direccionales ....................................................16 3.3 Diseño de un protocolo MAC 802.11 con antenas direccionales...............................21 CAPÍTULO 4. ESCENARIO DE TRABAJO Y SIMULADOR...........................27 4.1. Escenario de trabajo.......................................................................................................27 4.2. Simulador.........................................................................................................................30 CAPÍTULO 5. RESULTADOS .........................................................................41 5.1 Glosario de términos.......................................................................................................41 5.1 Resultados de las simulaciones para el escenario 1 ..................................................41 5.2 Resultados de las simulaciones para el escenario 2 ..................................................47 CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES.....................................................................53 CAPÍTULO 7. BIBLIOGRAFÍA........................................................................55 LISTA DE FIGURAS........................................................................................57 LISTA DE TABLAS .........................................................................................59 Lista de figuras 1 INTRODUCCIÓN Las redes Ad Hoc son un conjunto autónomo y espontáneo de routers móviles, conectados por enlaces inalámbricos que no precisan de una infraestructura fija. Estas redes han tenido un gran auge en los últimos años gracias a dos aspectos claves como son la movilidad y la flexibilidad. Movilidad porque todos los nodos de la red son móviles y flexibilidad ya que se minimiza la gestión de la red al auto-organizarse ella misma. Estas redes se proyectan para operar en ambientes hostiles e irregulares, y sus aplicaciones son extensas tales como redes de área personal, entornos militares, entornos ciudadanos y operaciones de emergencia. Estas redes plantean grandes retos técnicos y funcionales debido a la hostilidad del medio inalámbrico. Las redes ad-hoc se diseñaron a nivel MAC asumiendo que las antenas son omnidireccionales. Pero recientes estudios concluyen en que utilizar antenas direccionales puede ser beneficioso para este tipo de redes. Al direccionar las transmisiones se puede incrementar el rehúso espacial ya que dos nodos vecinos podrían comunicarse a la vez en diferentes direcciones. Se han propuestos varias variantes del protocolo MAC 802.11 utilizando antenas direccionales, planteándose solucionar problemas añadidos como son, los de nodos ocultos, nodos expuestos, deafness, y localización de los otros nodos de la red. Para ello, en este trabajo, se diseña un nuevo protocolo que pueda solucionar todos estos problemas y obtenga unos resultados de rendimiento mejores que los del protocolo tradicional MAC 802.11. Para ello, se programa un simulador en lenguaje C++ a fin de poder simular el protocolo MAC 802.11 con antenas omnidireccionales y el nuevo protocolo MAC 802.11 con antenas direccionales. El simulador será escalable con lo que podrá permitir futuras ampliaciones que permitirán añadir más complejidad a las simulaciones y obtener otros resultados de interés. Con el fin de hacer más comprensible el método de trabajo, el proyecto se divide en capítulos y secciones, siguiendo la siguiente estructura:  En el primer capítulo se describen las redes ad-hoc, sus características, historia y aplicaciones.  Seguidamente en el capítulo 2 se describe el estándar IEEE 802.11. En la primera sección se hace un breve resumen de las diferentes normas del estándar: velocidades máximas, bandas utilizadas, etc. En la segunda sección se explica el protocolo 802.11 a nivel físico. Y seguidamente se detalla el protocolo 802.11 a nivel MAC, así como el 8 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes IEEE 802.11r Fast roaming IEEE 802.11s Wireless mesh networking IEEE 802.11T Wireless Performance Prediction (WPP) – métodos de test y métricas. IEEE 802.11u Interrelación con redes non-802 (ejemplo: celular) IEEE 802.11v Wireless network management Tabla 2. Descripción de las diferentes normas del 802.11 En la Fig. 4 podemos ver qué estándar se utiliza según los niveles físico, MAC y niveles superiores. Fig. 2. Clasificación de las normas del 802.11 según capa OSI 2.2. Nivel Físico 802.11 La capa física de los estándares IEEE 802.11 se diseñó para cumplir con la regulación de radio frecuencia del FCC (organismo federal USA). Las mismas bandas de frecuencia, con algunas variantes, se utilizan en el resto del mundo. La capa física proporciona una serie de servicios a la capa MAC o capa de acceso al medio. Diferentes tecnologías de capa física se definen para transmitir por el medio inalámbrico. La Fig. 3 muestra la capa física y cada una de sus subcapas, así como la capa MAC. La capa física de servicios consiste en dos protocolos:  PLCP (Physical Layer Convergente Procedure), que define una forma de mapear MPDUs (MAC Protocol Data Unit) en un formato de tramas susceptibles de ser transmitidas o recibidas entre diferentes estaciones o a través de la capa PMD (Physical Médium Dependent). Lista de figuras 9  Un sistema PMD, cuya función define las características y un medio de transmitir y recibir a través de un medio sin cables entre dos o más estaciones. Fig. 3. Subcapas del nivel físico en 802.11 La comunicación entre MACs de diferentes estaciones se realizará a través de la capa física mediante de una serie de puntos de acceso al servicio, donde la capa MAC invocará las primitivas de servicio. El estándar 802.11 define diferentes normas que varían según la banda de frecuencia ocupada, la modulación y el alcance. En la Tabla 3. podemos ver las velocidades que alcanzan las diferentes normas del estándar 802.11. Tabla 3. Velocidades que alcanzan diferentes normas del 802.11  IEEE 802.11b es el estándar que lideró los desarrollos iniciales de WLAN. Emplea solamente DS-SS y utiliza modulación con forma de onda CCK (Complimentary Code Keying) lo que permite alcanzar hasta 11 Mbps de velocidad.  IEEE 802.11a, es una evolución del 802.11b, opera en la banda de 5 GHz y ofrece una capacidad de hasta 54 Mbps. El interfaz aire utiliza multiplexación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).  IEEE 802.11g con multiplexación OFDM permite hasta 54 Mbps de capacidad máxima en la banda de 2.4 GHz. Permite interoperabilidad con IEEE 802.11b utilizando un interfaz aire SS-DS y ofreciendo hasta 11 Mbps de capacidad. 10 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 2.3. Protocolo MAC 802.11 La arquitectura MAC del estándar 802.11 se compone de dos funcionalidades básicas: la Función de Coordinación Puntual (PCF) y la Función de Coordinación de Distribución (DCF). La función de coordinación es la funcionalidad que determina dentro de un conjunto básico de servicios (BSS), cuándo una estación puede transmitir y/o recibir datos de protocolo a nivel MAC a través del medio inalámbrico. En el nivel inferior del subnivel MAC se encuentra la función DFC y su funcionamiento se basa en técnicas de acceso aleatorias de contienda por el medio. El tráfico que se transmite bajo esa funcionalidad es de carácter asíncrono ya que estas técnicas de contienda introducen retardos aleatorios y no predecibles, no tolerados por los servicios síncronos. Podemos resumir las características de DFC en los siguientes puntos:  Utiliza como protocolo de acceso al medio (CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) con detección de portadora virtual)  Reconocimientos ACKs (Acknowledgements), provocando retransmisiones si no se recibe.  Se envía en el campo Duration/Id el tiempo de reserva para transmitir y recibir ACK. Esto quiere decir que todos los nodos conocerán al escuchar, cuándo queda el canal libre.  Implementa fragmentación de datos  Conoce prioridad de tramas mediante el espaciado entre tramas (IFS)  Soporta Broadcast y Multicast sin ACKs. Seguidamente detallamos el protocolo de acceso al medio CSMA/CA. 2.3.1. Protocolo de acceso al medio CSMA/CA El protocolo de acceso es muy similar al del estándar IEEE 802.3 y es el llamado CSMA/CA. El funcionamiento es el siguiente:  Antes de transmitir información una estación debe testear el canal inalámbrico para determinar su estado (libre/ocupado).  Si el medio no está ocupado por ninguna otra trama la estación espera un IFS (Espaciado entre tramas).  Si durante esta espera adicional o desde el principio, la estación al testear el canal lo determina como ocupado, la estación debe esperar hasta el final de la transacción actual antes de realizar cualquier acción.  Una vez finalizada la espera debida a la transacción de otras estaciones, la estación ejecuta el algoritmo de Backoff, según el cual se determina una espera adicional y aleatoria escogida uniformemente en un intervalo llamado ventana de contención (CW). El algoritmo de Backoff nos da un Lista de figuras 11 número aleatorio y entero de ranuras temporales (slot time) y su función es la de reducir la probabilidad de colisión que es máxima cuando varias estaciones están esperando a que el medio quede libre para transmitir.  Durante la espera del Backoff, las estaciones no dejan de escuchar el canal. Si en menos de un IFS el canal se determina libre, esta espera va avanzando temporalmente hasta que la estación consume todos los slot times asignados. Si en esa espera determinan el canal ocupado, durante un tiempo igual o superior a IFS, el algoritmo de Backoff queda suspendido hasta que se cumpla esta condición. Este algoritmo es exponencial de manera que en cada retransmisión provocará que el valor de CW, que se encontrará entre CWmin y CWmax, se duplique hasta su valor máximo hasta 2CW x CWmin. En la Fig. 4 el emisor cuenta un contador de backoff de 8 slot times hasta que envía los datos. Al esperar el destino un SIFS, envía el ACK para cerciorar al origen que le ha llegado correctamente los datos. Fig. 4. Mecanismo de transferencia Datos y ACK 2.3.2. Detección de portadora virtual El uso del protocolo CSMA/CA es insuficiente ya que en el medio inalámbrico se presentan una serie de problemas como son los de nodos ocultos y nodos expuestos. Nodos ocultos Una estación cree que el canal está libre, pero en realidad está ocupado por otro nodo que no escucha. Un ejemplo sería el de la Fig. 5. La estación A transmite a la estación B. La estación C no puede determinar el estado del canal entre A y B y por lo tanto transmite a B. De esta manera hay interferencia en el canal y colisionan los paquetes transmitidos. 12 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes Fig. 5. Nodo oculto Nodos expuestos Una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está libre ya que el nodo que escucha no le interferiría para transmitir a otro destino. En la Fig. 6 podemos ver un ejemplo de nodos expuestos. La estación B transmite a la estación A. C quiere transmitir a la estación D pero escucha la estación B. La estación C decide no transmitir a D. Fig. 6. Nodo expuesto Para evitar estos problemas y reducir la probabilidad de colisión de dos estaciones porque no pueden escucharse mutuamente, el protocolo de acceso CSMA/CA se modifica añadiendo un mecanismo llamado Virtual Carrier Sense (Detección de Portadora Virtual). Una estación tratando de transmitir un paquete, en primer lugar enviará un paquete de control pequeño, llamado RTS (Request To Send), el cual incluye la fuente, el destino y la duración de la transacción. La estación receptora responderá (si el medio esta libre) con un paquete de respuesta de control CTS (Clear to Send), el cual incluirá la información de duración. En la Fig. 7. podemos ver un ejemplo de RTS-CTS. Todas las estaciones que reciban el RTS y/o el CTS, setearán su indicador de Detección de Portadora Virtual, para esa duración específica y usarán esa información junto con la Detección de la portadora física cuando detecten el estado del medio. Lista de figuras 13 Este mecanismo reduce la probabilidad de colisión en el área del receptor con una estación oculta al transmisor, durante la corta duración de la transmisión del paquete RTS, porque esta estación se encarga de escuchar el CTS y reserva el medio ( lo pone en “ocupado” ) hasta el final de la transacción. La información sobre la duración del RTS también protege de colisiones al área del transmisor durante el proceso de acknowledge. Debe tenerse en cuenta que los paquetes de control RTS y CTS son cortos, esto permite a su vez reducir las colisiones, dado que las mismas se detectan más rápido en contrapartida con el tiempo que tarda en transmitirse un paquete completo. Si el paquete es muy pequeño, el estándar permite transmitirlo sin tener que efectuar la transacción RTS/CTS. Fig. 7. Mecanismo de detección de portada virtual en 802.11 2.3.3. Espaciado entre tramas IFS Existen 3 tipos de IFS según la condición de la trama:  SIFS (Short Inter Frame Space): Es el tiempo mínimo entre la emisión de los paquetes, se utiliza para transmitir los reconocimientos. Es el tiempo más corto.  PIFS (Point Coordination IFS): Es el tiempo de acceso utilizado para ganar prioridad de acceso en los periodos libres de contienda.  DIFS (Distributed IFS): Es el tiempo de espera en las contiendas con mecanismo MACA, es decir antes de lanzar el mecanismo de acceso aleatorio. 2.3.4. Network Allocation Vector (NAV) Las tramas RTS y CTS contienen la información de la longitud del paquete de datos transmitido. Esta información la pueden leer las estaciones que escuchan el canal, de manera que se actualiza un Network Allocation Vector (NAV) que 14 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes contiene la información del periodo de tiempo durante el cual el canal estará ocupado. En la Fig. 8 podemos ver el vector NAV y todo el mecanismo del 802.11. Fig. 8. Network Allocation Vector (NAV) Lista de figuras 15 CAPÍTULO 3. PROTOCOLOS MAC 802.11 PARA REDES AD-HOC CON ANTENAS INTELIGENTES El protocolo IEEE 802.11 asume el uso de antenas omnidireccionales en todos los nodos. De manera que para utilizar antenas direccionales se debe diseñar un protocolo específico. Los protocolos MAC donde se utilizan las antenas direccionales se denominan Directional-MAC (DMAC). El uso de antenas direccionales se plantea para redes ad-hoc ya que uno de los posibles beneficios es el incremento del rehúso espacial. Dos nodos vecinos podrían comunicarse a la vez en diferentes direcciones. En este capítulo definiremos las antenas inteligentes, explicaremos los problemas con los que nos encontramos utilizando antenas direccionales para protocolos DMAC y las posibles soluciones que se han estudiado hasta ahora. 3.1 Definición de antena inteligente La idea de antenas inteligentes es usar estaciones base con patrones de antenas que no sean fijas, pero adaptarlos a las condiciones actuales del medio radio. Esto se puede visualizar como la antena que dirige un lóbulo sólo hacia la dirección de la comunicación como es el caso de las antenas direccionales. Una antena direccional puede transmitir una señal en cualquier dirección, usando un array de antenas denominado array de elementos. Al aumentar el número de elementos, la ganancia de la antena puede controlarse más efectivamente. Hay antenas direccionales de 1 elemento (omnidireccional), 2, 4, 8, 16, etc. La Fig. 9 muestra una antena de M elementos. Fig. 9. Antena direccional de M elementos 16 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 3.2 Protocolos MAC 802.11 con antenas direccionales Como se ha comentado al principio de este capítulo, el uso de antenas direccionales utilizando el protocolo MAC 802.11 sin ningún tipo de modificación nos presenta numerosos problemas. Utilizaremos la Fig. 10 para explicar los 5 problemas principales que se plantean al utilizar antenas direccionales:  Nodo expuesto direccional: A quiere enviar un paquete a B, y E quiere enviar un paquete a C. El nodo A envía el RTS direccionalmente al nodo B, pero esta transmisión la oye el nodo de manera que no puede enviar el paquete aun no interfiriendo en la comunicación A-B. El nodo E está direccionalmente expuesto.  Desconocimiento del estado del canal: A está transmitiendo un paquete a D después del envío RTS-CTS. El nodo E que no escucha esta transmisión decide enviar un RTS al nodo B. Cuando A acaba de transmitir, decide enviar al nodo F ya que no sabe que hay una comunicación entre E y B. A interfiere en esta comunicación. Éste sería un caso de desconocimiento del estado del canal del nodo A.  Nodos ocultos debido a asimetría en ganancia: El nodo B envía un RTS direccional (DRTS) al nodo F. El nodo F responde con un CTS direccional (DCTS) de ganancia Go. El nodo A tiene un paquete a transmitir al nodo E. Y determina el canal libre ya que no le llega la potencia de la antena F. El nodo A por lo tanto envía un DRTS con ganancia Gd al nodo E que sí oye la transmisión del nodo F. De esta manera hay interferencia y por lo tanto colisión de paquetes y los datos no llegan correctamente al receptor.(Go>Gd).  Formas de las regiones “silenciosas”: Debido al aumento de la ganancia en antenas direccionales las formas de las zonas “silenciosas” o sin cobertura son diferentes en antenas omnidireccionales y antenas direccionales. Esto afecta indirectamente en características topológicas como patrones de tráfico y ancho del lóbulo de la transmisión direccional.  “Deafness”: Para explicar este problema debido al uso de antenas direccionales, utilizaremos el escenario de la Fig. 10. Los nodos C y D quieren transmitir al nodo B a través del nodo E. Si E responde el paquete de D, C no lo sabría con DMAC y transmitiría un RTS a E. E al tener el lóbulo dirigido a D no recibe el RTS de C. De manera que E vuelve a retransmitir. E está “sordo” ya que no oye las transmisiones del nodo C en otra dirección. Esto provoca un desperdicio de la capacidad de la red en envíos de paquetes de control innecesarios. Lista de figuras 17 Fig. 10. Escenario ejemplo de nodos ocultos debidos a asimetría en ganancia Seguidamente se explica brevemente los protocolos propuestos hasta ahora para DMAC en redes ad-hoc [2][3][4][5][6][7][9][10][12]. Ko, Shankarkuman y Vaidya [3] propusieron un protocolo MAC con dos esquemas. En el primero, Fig. 11, los paquetes RTS se transmitían direccionalmente y los CTS se transmiten omnidireccionalmente. Se asume que cada nodo sabe la localización exacta de los otros nodos con hardware adicional como GPS y cada nodo transmite la señal basado en la dirección derivada de la información de localización. Fig. 11. Primer esquema propuesto por [3] 24 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 3.3.4 Tabla de localización Al utilizar RTS circular, este protocolo asegura que el RTS llega al nodo receptor. El RTS al llegar al nodo receptor podrá saber por diversidad selectiva la dirección por la cual ha recibido el RTS y así poder localizar dónde está el nodo transmisor. De la misma manera el nodo transmisor con la recepción del CTS puede saber la localización del nodo receptor. Cada nodo tiene una tabla de localización como en [6] explicada anteriormente. La tabla informa de qué nodo se trata, el nodo por el que se ha escuchado el paquete, la antena por el cual el transmisor escuchó el paquete y la antena por el cual el receptor escuchó el paquete. En la Tabla. 4 podemos ver la tabla de localización del nodo 0 correspondiente a la Fig. 15. El nodo 0 puede ver al nodo 1 por la antena 0 y el nodo 1 con la antena 4. El nodo 0 puede ver al nodo 2 por la antena 5 y el nodo 2 con la antena 1. Y finalmente, puede ver al nodo 3 por la antena 6 y el nodo 3 con la antena 2. Nodo Vecino Antena Antena del vecino 0 1 7 3 0 2 5 1 0 3 6 2 Tabla 4. Tabla localización Nodo 1 de la Fig 16. Al principio esta tabla está vacía. La tabla de localización se actualiza en cada recepción por la movilidad de los nodos. Esta información es importante para la decisión de los nodos vecinos en enviar un paquete o atrasar esta transmisión. Fig. 15. Ejemplo del esquema de un nodo y su tabla de localización Lista de figuras 25 3.3.5 NAV direccional (DNAV) El uso de DNAV disminuye el problema de los nodos ocultos. Se utiliza el mecanismo de NAV utilizado en el protocolo MAC 802.11 para antenas omnidireccionales, pero en este caso se adapta al uso de antenas direccionales propuesto en [3] y [6]. DNAV utiliza una tabla que informa de las direcciones y las correspondientes duraciones por las que el nodo no debe iniciar una transmisión. Al evitar transmisiones que acabarían en colisión segura, se reduce el problema de nodo oculto y por lo tanto aumenta el rehúso espacial. Ahora se debe tener en cuenta que la duración de la transmisión es mayor que en 802.11. Esto depende del número de antenas por las que se envía el RTS circular y el CTS circular. De manera que en el paquete RTS y CTS la información de la duración de la transmisión será mayor que en 802.11 para antenas omnidireccionales. La duración total será: Duración transmisión = Tiempo transmisión RTS circular + SIFS + Tiempo transmisión CTS circular + SIFS + Tiempo transmisión Datos + SIFS+ Tiempo transmisión ACK Donde el tiempo de transmisión del RTS Circular y CTS Circular depende de la antena por la que se envía:  Para la primera antena: o Tiempo transmisión RTS circular = (Numero antenas – 1) * Tiempo transmisión RTS  Para la segunda antena: o Tiempo transmisión RTS circular = (Numero antenas – 2) * Tiempo transmisión RTS El tiempo de transmisión del CTS circular se calculará de la misma manera:  Para la primera antena: o Tiempo transmisión CTS circular = (Numero antenas – 1) * Tiempo transmisión CTS De esta manera los nodos vecinos del transmisor y receptor deben saber su localización para tomar la decisión correcta a la hora de atrasar una transmisión o enviar el RTS. Los nodos vecinos a la transmisión deben escuchar el RTS y el CTS, y no sólo el paquete RTS o el paquete CTS [7] ya que si fuera así solamente se actualizará el DNAV en la dirección de uno de los dos nodos y podría destruir la transmisión. 26 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes El mecanismo DNAV propuesto reduce el problema de nodos ocultos por asimetría en ganancia explicado en la sección 3.2. Cuando un nodo transmite un RTS o CTS a otro nodo este paquete contiene en la cabecera de la trama la información del par de antenas correspondiente. Cada nodo que recibe uno de estos paquetes mira en su tabla de localización por qué antenas puede escuchar los 2 nodos. Si una de estas antenas coincide con la antena respectiva de la trama RTS, CTS, el vecino se esperará para transmitir por esta antena. En la Fig. 16 se puede ver un ejemplo de qué nodos se esperan a transmitir ya que deben esperar el tiempo de DNAV. Los nodos 0 y 1 ponen la antena 0 a DNAV al escuchar el RTS circular del nodo transmisor 2. El nodo 3 pone la antena 1 a DNAV. Los nodos 5 y 6 ponen la antena 1 a DNAV al escuchar el CTS circular del nodo receptor 4, y el nodo 3 pone la antena 0 a DNAV. De esta manera, los nodos con la antena en DNAV se esperan a que la transmisión finalice para poder transmitir. 0123456 RTS CIRCULAR RTS CIRCULAR CTS CIRCULAR CTS CIRCULAR NODO TRANSMISOR NODO RECEPTOR 0 ESQUEMA DE UN NODO ANTENA 1 ANTENA 0 ANTENA EN DNAV ANTENA EN DNAV ANTENA EN DNAV Fig. 16. Escenario ejemplo antenas en DNAV Lista de figuras 27 CAPÍTULO 4. ESCENARIO DE TRABAJO Y SIMULADOR 4.1. Escenario de trabajo Se simulan 2 escenarios de trabajo con diferentes topologías para evaluar el uso de antenas direccionales en redes Ad Hoc. 4.1.1 Topologías de Red Escenario 1: En la Fig. 17. estudiamos la topología en línea. El número de nodos varía de 5 a 10. La distribución de estos nodos es equidistante. Fig. 17. Escenario 1. Topología en línea. Escenario 2: En la Fig. 18. estudiamos la topología en matriz. El número de nodos varía de 4 (2x2), 9 (3x3) y 16 (4x4). Fig. 18. Escenario 2. Topología en matriz, 3x3 4.1.2 Tamaño del escenario y tiempo de simulación En ambos escenarios, el campo es de 10 km2 (100 m. x 100 m.) donde los nodos se sitúan en una topología en línea (escenario 1) o en matriz (escenario 2). Cada simulación corre 4.000 seg. Un slot time equivale a 1 ms. 28 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 4.1.3 Cobertura de las antenas La distancia máxima entre nodos es de 10 m. El rango de cobertura de las antenas de los nodos, tanto las omnidireccionales como las direccionales, es suficiente como para transmitir a cualquier nodo. Es decir, en el caso de antenas omnidireccionales una transmisión de un nodo es recibida por el resto de los nodos del escenario. En el caso de antenas direccionales, una transmisión dirigida en una cierta dirección y sentido es recibida por todos los nodos en esa dirección y sentido. 4.1.4 Número de antenas Ambos escenarios se simulan con antenas omnidireccionales y con antenas direccionales. Para antenas direccionales, en el caso del escenario 1 (nodos en línea) el número de elementos de antena es 2. En el escenario 2 (nodos en matriz) el número de elementos de antena es 8. Se asume que ninguno de los nodos puede recibir ni transmitir a la vez. 4.1.5 Movilidad de los nodos Los nodos no se mueven. 4.1.6 Modelo de propagación Las pérdidas de propagación se calculan como: L(dB) = 110’49 + 30’5 · 10 · log10(d (Km)) donde: d= distancia entre el nodo transmisor y el nodo receptor expresado en Km. La potencia de transmisión de las antenas es de 22 dBm. La sensibilidad es de -90 dB. De esta manera al tener una distancia máxima de 10m. a los nodos más lejanos, los paquetes transmitidos siempre serán recibidos por estos nodos. 4.1.7 Tamaño de los paquetes El tamaño de los paquetes de datos es de 1024 bytes (8192 bits). Este tamaño es constante en la simulación. Lista de figuras 29 4.1.8 Valores de los parámetros del escenario El valor de los parámetros del escenario utilizados en todas las simulaciones son los mismos para poder hacer las comparaciones equitativamente. Estos valores se muestran en la Tabla 5. Parámetro Valor Tamaño del escenario 100 m. x 100 m. Número de iteraciones 4.000.000 Slot time 1 ms Número de usuarios 5 a 10 usuarios para el escenario 1, y 4, 9 y 16 usuarios para el escenario 2 Potencia de transmisión 22 dBm Probabilidad de transmisión se varía de 1E-5 hasta 1E-1 Sensibilidad -90 dB Tamaño de los paquetes de datos 8012 bits (1024 bytes) Tamaño del buffer 12000 Ventana de contención mínima 8 Ventana de contención máxima 1024 Número de transmisiones máxima 7 Tabla 5. Valor de los parámetros utilizados 30 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 4.2. Simulador Se ha desarrollado un software de simulación en lenguaje C++. El simulador está constituido por variables globales, que definen parámetros generales de la simulación; por una clase, que define el objeto nodo; y por funciones que realizan el procesado de los mecanismos definidos en los protocolos simulados. Los parámetros de la simulación se definen al inicio del programa de manera que se pueden variar fácilmente. Esto da flexibilidad al simulador ya que se pueden asignar valores de parámetros distintos y obtener diferentes resultados con el mismo simulador. Por ejemplo, el número de nodos y la topología de cada escenario. Así pues, se han desarrollado dos simuladores:  Simulador para antenas omnidireccionales  Simulador para antenas direccionales. De cada simulador se han obtenido resultados de cada una de los escenarios. Se define una única clase denominada “Cnodo” donde se incluyen todos los parámetros de los nodos y funciones. A continuación, para cada simulador se describe:  Los parámetros generales del sistema, definidos como variables globales.  Las variables locales de cada nodo, definidas como variables de la clase “Cnodo”, y los procesos de cada nodo, definidos como métodos de clase.  Los mecanismos de protocolo, definidas como funciones globales.  Un diagrama de flujo donde se visualiza la estructura y funcionamiento del simulador. Lista de figuras 31 4.2.1. Simulador de nodos con antenas omnidireccionales 4.2.1.1. Variables globales Como hemos comentado en la sección anterior, los parámetros del sistema son globales para poder variarlos con mayor flexibilidad. Algunos de estas variables globales son parámetros y son los mismos en el caso de antenas omnidireccionales y antenas direccionales. A continuación se muestra en la Tabla 6. las variables globales. Parámetro Descripción Tamaño del escenario Este parámetro consta de la coordenada “x” y la coordenada “y” para definir el campo máximo (en Km). Número de iteraciones Es el número de veces que se recorre la simulación para todos los nodos. 1 iteración equivale a 1 ms. Slot time Duración temporal de una trama. 1 iteración equivale a 1 slot time. Número de usuarios Número de nodos/estaciones/usuarios que se varía para la obtención de resultados. Potencia de transmisión Es la potencia transmitida por el nodo transmisor. Probabilidad de transmisión Esta es la probabilidad que tiene un nodo de generar un paquete, se varía para la obtención de resultados. Sensibilidad Esta es la sensibilidad del nodo receptor. Tamaño de los paquetes de datos El tamaño en bits de los paquetes de datos. Tamaño del buffer El tamaño del buffer es el número máximo de paquetes que caben en la cola de cada nodo. Ventana de contención mínima Es el valor de la ventana de contención mínimo definido en el algoritmo de backoff Ventana de contención máxima Es el valor de la ventana de contención máximo definido en el algoritmo de backoff. Número de transmisiones máxima Es el valor del número de retransmisiones máximas. Si llega a este valor, el paquete que se intenta enviar se descarta. Estados de los nodos Se definen los siguientes estados. IDLE, DIFS, RTS, CTS, DATA, ACK, BACKOFF y NAV. Estados del canal Indica si el canal está libre u ocupado por una transmisión. En el caso de antenas omnidireccionales, la transmisión de un nodo es recibida por el resto de los nodos del escenario. Tabla 6. Variables globales – Simulador para antenas omnidireccionales 32 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 4.2.1.2. Variables de la Clase Cnodo Las variables de los nodos están implementados como variables de la clase “Cnodo”, las podemos ver en la Tabla 7. Variable Descripción Identificador de nodo Número de nodo. Cola de paquetes Vector donde se guardan los paquetes que se van generando. Nodo receptor Nodo que va a recibir el primer paquete de la cola. Variables de posición Posición x ( Posición del nodo para el eje x) y Posición y ( Posición del nodo para eje y). Estado del nodo Estado actual del nodo. Contador backoff Es el tiempo de backoff calculado aleatoriamente entre CWmin y CWmax · 2m, según el número de retransmisiones. Donde CWmin es el valor de ventana de contención mínimo, CWmax es el valor de contención máxima y m es el número de retransmisiones. Tabla 7. Variables de Cnodo – Simulador para antenas omnidireccionales Además de las variables de posición se han definido otras variables en relación a la movilidad y cálculos de potencia para futuras implementaciones. 4.2.1.3. Métodos de la clase Cnodo Los procesos de los nodos están implementados como métodos de la clase “Cnodo”. Cálculo del nodo receptor El destino se calcula aleatoriamente cuando se genera un paquete. Éste no puede ser el transmisor. En el caso de antenas direccionales los destinos posibles son aquellos con los que puede enfocar los lóbulos. Ésta información la tendremos con las tablas de localización. Cálculo de la potencia recibida Se calcula la distancia entre el nodo transmisor y el nodo receptor, para poder calcular la atenuación. Con este valor y la potencia de transmisión podemos calcular la potencia recibida del nodo. Lista de figuras 33 Potencia Rx[dBm] = Potencia Tx[dBm] + GTx + GRx – L[dB] donde: GTx es la ganancia de la antena transmisora y GRx es la ganancia de la antena receptora. L es la atenuación calculada en dB (cálculo explicado en la sección 4.2.). Cálculo de colisiones RTS-RTS Al final de cada iteración se detectan las colisiones de paquetes RTS contra paquetes RTS que van a ocurrir en la iteración siguiente. Se diferencia entre colisiones de RTS RTS en sentido opuesto o igual. De esta forma, se tiene en cuenta para saber si los paquetes RTS van a ser recibidos por los demás nodos. Si un nodo va a pasar a estado RTS y otro nodo también. Éstos colisionarán, cambiarán a estado DIFS, para después pasar a estado Backoff. 4.2.1.4. Funciones del simulador Cálculo de Backoff Se calcula el contador de backoff aleatoriamente. A continuación se muestra el algoritmo en nivel alto de programación. Estructura del Algoritmo backoff en nivel alto de programación •Si colisión → backoff=1, Estado DIFS ◙Estado DIFS ◊Si backoff=1 ◘Si el contador estaba congelado→se descuenta desde el último valor del contador BACKOFF ◊Si numero retransmisiones llega a su máximo→contar paquete descartado IDLE ◊Si numero retransmisiones no llega a su máximo→ calcular backoff exponencial, según número de retransmisiones. BACKOFF ◙Estado BACKOFF ◊CANAL LIBRE? ◘Sí ◊Counterbackoff>0? ◘Sí→decrementa backoff ◘No→Se envía RTS y se incrementa número de transmisiones ◘No ◊Counterbackoff>0? ◘Sí→congelar contador, Estado DIFS ◘No→Estado Difs, backoff=1 40 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes Lista de figuras 41 CAPÍTULO 5. RESULTADOS Finalmente, se mostrarán los resultados de las simulaciones obtenidos en los diferentes escenarios propuestos. Dividiremos los resultados según el escenario en el que se simulan y seguidamente compararemos los valores de throughput y throughput relativo por el tipo de antena, direccional u omnidireccional utilizado en las simulaciones. 5.1 Glosario de términos El siguiente glosario define los términos que aparecen en los siguientes resultados. Paquetes generados totales: Total de paquetes que se generan en la simulación aún no pudiendo entrar en el buffer (cola de paquetes). Paquetes generados del buffer: Es la diferencia entre los paquetes generados totales y los paquetes que se pierden al no poder entrar en el buffer cuando éste está lleno. Carga ofrecida: El valor de la carga ofrecida es el número de paquetes generados total por unidad de tiempo. La carga ofrecida depende del tamaño del paquete de datos y el tiempo que dura un “slot time”. La carga ofrecida se mide en bits/s (bps). Throughput: Se define como el número de paquetes recibidos correctamente en la simulación por unidad de tiempo. El throughput se mide en bps. Throughput relativo: Es el valor del throughput entre la carga ofrecida. El throughput relativo se mide en tanto por ciento (%). 5.1 Resultados de las simulaciones para el escenario 1 Seguidamente comparamos los resultados de throughput, y throughput relativo de los nodos situados en línea equidistantes para antenas omnidireccionales y direccionales. 5.1.1 Throughput En todos los casos, un paquete de datos son 1024 bytes y un “slot time” es de 1 ms. 42 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes En la Fig. 22. vemos el throughput para antenas omnidireccionales de 5 a 10 usuarios. Y en la Fig. 23. vemos el throughput para antenas direccionales para el mismo número de usuarios. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0 200 400 600 800 1000 Carga ofrecida [kbps] Throughput [kbps] 5 usuarios 6 usuarios 7 usuarios 8 usuarios 9 usuarios 10 usuarios Fig. 22. Throughput antenas omnidireccionales (escenario 1) Como vemos en la Fig. 22, el throughput aumenta a medida que aumenta la carga ofrecida, hasta la saturación. Como podemos observar, antes de la saturación casi no se pierden paquetes. Al llegar a la saturación el throughput es constante. Esto se debe a que a partir de este instante, los buffers están llenos y se siguen generando paquetes. De manera que muchos de estos paquetes no se pueden enviar al destino. Al aumentar el número de nodos este valor de throughput en saturación es menor. Por ejemplo si comparamos cuando la red tiene 5 usuarios o 10, en el caso de haber sólo 5 usuarios en la red se satura antes el throughput que con 10 usuarios. La carga ofrecida es de 550 kbps cuando llega a este nivel de saturación con un throughput de 525 kbps para 5 usuarios y cuando la carga ofrecida es de 900 kbps, empieza a saturarse para 10 usuarios con un valor de 450 kbps de throughput. Esto ocurre porque al añadir nodos, las probabilidades de colisión incrementan. El aumento de las colisiones provoca que los tiempos de backoff sean más largos, con lo que los nodos se tienen que esperar más tiempo para hacer una nueva retransmisión. Lista de figuras 43 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Carga ofrecida [kbps] Throughput [kbps] 5 usuarios 6 usuarios 7 usuarios 8 usuarios 9 usuarios 10 usuarios Fig. 23. Throughput antenas direccionales (escenario 1) En la Fig. 23. podemos ver que el throughput con el uso de antenas direccionales también incrementa con la carga ofrecida hasta la saturación. Los valores de throughput obtenidos para antenas direccionales son un poco menores que los obtenidos con antenas omnidireccionales. En principio se espera que el uso de antenas direccionales aumente el throughput gracias al rehúso espacial. Esto no ocurre por dos motivos. El primero es que se trata de la topología en línea y, por lo tanto, el rehúso espacial posible es mucho menor que en la topología en matriz. Pero entonces deberíamos poder obtener al menos los mismos valores de throughput que en el caso de antenas omnidireccionales. Esto no ocurre por el segundo motivo. Esto es que el rango de cobertura de las antenas direccionales que hemos simulado llega a todos los nodos de la red. Con el protocolo propuesto, para transmitir un paquete debemos enviar un RTS circular y un CTS circular en dos direcciones para la topología en línea. Teniendo en cuenta que todos los nodos se escuchan, este rehúso espacial esperado no se aprovecha para sólo 2 direcciones (topología en línea). En un trabajo futuro si se implementase una potencia de transmisión menor para las antenas, podría darse el caso de dos transmisiones simultáneas en una topología en línea. A mayor número de elementos en línea, obtendríamos un mayor aumento de throughput. 44 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Carga ofrecida [kbps] Throughput [kbps] 5 usuarios (Omni) 10 usuarios (Omni) 5 usuarios (Direcc) 10 usuarios (Direcc) Fig. 24. Comparativa throughput (escenario 1) En la Fig. 24 podemos hacer la comparativa del throughput con antenas direccionales y omnidireccionales. La tendencia del throughput para antenas direccionales y omnidireccionales es la misma aunque para direccionales alcanzan valores de saturación para mayores cargas ofrecida. La diferencia para 5 usuarios es de sólo 50 kbps, y para 10 usuarios, es la misma diferencia. Como hemos comentado anteriormente estas diferencias se deben a que no se aprovecha el rehúso espacial al estar en un topología en línea y que todos los nodos se escuchan. Si en el escenario utilizado no se escucharan todos los nodos, en la misma dirección podría haber más de una transmisión simultánea. Si hay una transmisión entre dos nodos en la topología en línea, los nodos que no escuchen esta transmisión podrán por otro lado iniciar otra transmisión simultáneamente sin interferir en la primera. De esta manera se aprovecharía los beneficios que nos puede ofrecer el uso de antenas direccionales. En el escenario propuesto todos los nodos se escuchan y esto implica que sólo haya una transmisión simultáneamente, como en el caso de utilizar antenas omnidireccionales. Debemos tener en cuenta que con el protocolo propuesto primero enviamos un RTS circular y seguidamente se responde con un CTS circular. Esto hará que la duración de una transmisión sea mayor que para el caso de utilizar antenas omnidireccionales, y por lo tanto habrá menos transmisiones. Esto hará que el throughput sea menor para el caso de antenas direccionales que para omnidireccionales. Lista de figuras 45 5.1.2. Throughput relativo En la Fig. 25 tenemos el throughput relativo con el uso de antenas omnidireccionales de 5 a 10 usuarios. Este valor es del 100% para las probabilidades más bajas y a medida que aumenta la probabilidad decrementa el throughput relativo, ya que a mayor probabilidad de generar un paquete, aumenta las probabilidades de colisión y con esto, el throughput relativo decrementa. Para 5 usuarios, éste es mayor que con 10 usuarios ya que al haber menos usuarios no hay tantas probabilidades de colisión. En definitiva, el throughput relativo nos muestra que para el caso de antenas omnidireccionales hasta la probabilidad de generación de paquetes de 0,007 todos los paquetes que los nodos generan consiguen llegar a su destino con éxito. Esto asegura que aplicaciones que no generan mucho tráfico puedan funcionar correctamente en entornos ad-hoc con el protocolo tradicional de 802.11. 0 20 40 60 80 100 120 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 Probabilidad de generación Throughput relativo [%] 5 usuarios 6 usuarios 7 usuarios 8 usuarios 9 usuarios 10 usuarios Fig. 25. Throughput relativo antenas omnidireccionales (escenario 1) En la Fig. 26 podemos observar que el throughput relativo con el uso de antenas direccionales es muy similar al del uso de antenas omnidireccionales. Este valor decrementa en la probabilidades más bajas más rápido que con antenas omnidireccionales. También el valor del throughput relativo aumenta al decrementar el número de usuarios. 46 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes 0 20 40 60 80 100 120 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 Probabilidad de generación Throughput relativo [%] 5 usuarios 6 usuarios 7 usuarios 8 usuarios 9 usuarios 10 usuarios Fig. 26. Throughput relativo antenas direccionales (escenario 1) 0 20 40 60 80 100 120 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 Probabilidad de generación Throughput relativo [%] 5 usuarios (Omni) 10 usuarios (Omni) 5 usuarios (Direcc) 10 usuarios (Direcc) Fig. 27. Comparativa throughput relativo (escenario 1) Al comparar el throughput relativo con antenas direccionales y omnidireccionales en la Fig. 27 tenemos mejores resultados con antenas omnidireccionales. Pero esta diferencia es baja. Como hemos comentado anteriormente, esto se debe al uso de la topología en línea y que todos los nodos se escuchan de manera que no se aprovecha el uso de las antenas direccionales para el rehúso espacial. Lista de figuras 47 Cabe destacar que el escenario 1 raramente se va a dar en un caso real. Aún así su estudio es importante de cara a analizar el rendimiento de un protocolo y otro en una situación menos común, o en otras palabras, más extrema. 5.2 Resultados de las simulaciones para el escenario 2 En este escenario el número de nodos con el que se hacen las simulaciones es de 4 (2x2), 9 (3x3) y 16 (4x4). 5.2.1. Throughput En la Fig. 28 podemos ver el throughput para antenas omnidireccionales y en la Fig. 29 para antenas direccionales. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Carga ofrecida [kbps] Throughput [kbps] 2x2 usuarios 3x3 usuarios 4x4 usuarios Fig. 28. Throughput antenas omnidireccionales (escenario 2) La Fig. 28 muestra la simulación de 4, 9 y 16 nodos en topología de matriz. A medida que el número de nodos aumenta el throughput disminuye. Esto ocurre porque al añadir nodos, las probabilidades de colisión incrementan. Cuando los paquetes RTS colisionan, provoca que los nodos involucrados en la comunicación pasen a estado backoff y, por lo tanto, demoran su próximo intento de retransmitir. A medida que el número de nodos aumenta, el número de posibles colisiones aumenta y las demoras del algoritmo de backoff aumentan exponencialmente a cada intento fallido de retransmisión. En este escenario los paquetes que emite 48 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes un nodo son escuchados por el resto y esto provoca que cuantos más nodos compiten por acceder al medio, aparecen más problemas de colisiones. En el caso de antenas direccionales se espera que este problema se resuelva ya que ahora dos nodos pueden establecer una comunicación sin interferir en otras comunicaciones. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Carga ofrecida [kbps] Throughput [kbps] 2x2 usuarios 3x3 usuarios 4x4 usuarios Fig. 29. Throughput antenas direccionales (escenario 2) En la Fig. 29 se observa claramente como a medida que aumenta el número de nodos en la topología de matriz el rehúso espacial permite un throughput agregado mucho mayor. Igual que en el escenario 1, el throughput aumenta hasta su saturación. Con 4 nodos en topología de matriz se llega a la saturación con una carga ofrecida de 1300 kbps, con 9 nodos se llega con 1500 kbps y con 16 nodos se llega con 1700. Este protocolo soporta más carga ofrecida antes de llegar a saturación ya que puede haber más de una comunicación simultánea en un espacio donde antes no era posible. En la Fig. 30 se unen las dos gráficas anteriores para mostrar más claramente sus diferencias. Cabe destacar que en el caso de 2x2 nodos el throughput en el caso de antenas omnidireccionales es mayor que en el caso de antenas direccionales. El rehúso espacial en la topología 2x2 en matriz sólo se daría en el caso de tener dos transmisiones paralelas 2 a 2 nodos, por lo que la probabilidad de que esto ocurra es muy baja. Por otro lado, el hecho de realizar un RTS y CTS circular provoca tener unas transmisiones más largas temporalmente. En conclusión, el beneficio de las antenas direccionales de permitir más de una comunicación simultánea donde antes no lo era posible, no permite obtener mejor throughput que en el caso de antenas omnidireccionales con la topología 2x2. La disminución de throughput provocada por el hecho de que las transmisiones son más largas con el protocolo propuesto no se ve mejorada por el efecto del rehúso espacial en los casos con pocos nodos. Por Lista de figuras 49 ejemplo, el throughput de 9 nodos con antenas direccionales ya es mayor que cualquiera de los 3 casos (4, 9 o 16) con antenas omnidireccionales. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Carga ofrecida [kbps] Throughput [kbps] 2x2 usuarios (Omni) 3x3 usuarios (Omni) 4x4 usuarios (Omni) 2x2 usuarios (Direcc) 3x3 usuarios (Direcc) 4x4 usuarios (Direcc) Fig. 30. Comparativa throughput (escenario 2) 56 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes [13] Calderón, O., Quintero, V., “Un nuevo aspecto de la movilidad: Redes Ad Hoc – Conceptos” Proc. IV Congreso Internacional Electrónica y Tecnologías de Avanzada (2003) [14] Ramanathan, R., “On the performance of Ad Hoc Networks with Beamforming Antennas”, ACM MobiHoc, (Oct. 2001) Lista de figuras 57 LISTA DE FIGURAS Fig. 1. Red móvil ad-hoc ................................................................................... 3 Fig. 4. Clasificación de las normas del 802.11 según capa OSI........................ 8 Fig. 3. Subcapas del nivel físico en 802.11....................................................... 9 Fig. 4. Mecanismo de transferencia Datos y ACK........................................... 11 Fig. 5. Nodo oculto .......................................................................................... 12 Fig. 6. Nodo expuesto ..................................................................................... 12 Fig. 7. Mecanismo de detección de portada virtual en 802.11 ....................... 13 Fig. 8. Network Allocation Vector (NAV).......................................................... 14 Fig. 9. Antena direccional de M elementos ..................................................... 15 Fig. 10. Escenario ejemplo de nodos ocultos debidos a asimetría en ganancia .................................................................................................................. 17 Fig. 11. Primer esquema propuesto por [3]..................................................... 17 Fig. 12. Segundo esquema propuesto por [3] ................................................. 18 Fig. 13. Esquema del protocolo propuesto por [4]........................................... 19 Fig. 14. Mecanismo de RTS circular y CTS circular....................................... 23 Fig. 15. Ejemplo del esquema de un nodo y su tabla de localización ............ 24 Fig. 16. Escenario ejemplo antenas en DNAV ............................................... 26 Fig. 17. Escenario 1. Topología en línea......................................................... 27 Fig. 18. Escenario 2. Topología en matriz, 3x3 ............................................... 27 Fig. 19. Diagrama de flujo – Simulador de antenas omnidireccionales........... 35 Fig. 20. Diagrama flujo para antenas direccionales – Nodo Receptor............. 38 Fig. 21. Diagrama flujo para antenas direccionales – Nodo Transmisor ......... 39 Fig. 22. Throughput antenas omnidireccionales (escenario 1)........................ 42 Fig. 23. Throughput antenas direccionales (escenario 1)................................ 43 Fig. 24. Comparativa throughput (escenario 1) ............................................... 44 Fig. 25. Throughput relativo antenas omnidireccionales (escenario 1) .......... 45 Fig. 26. Throughput relativo antenas direccionales (escenario 1) ................... 46 Fig. 27. Comparativa throughput relativo (escenario 1)................................... 46 Fig. 28. Throughput antenas omnidireccionales (escenario 2)........................ 47 Fig. 29. Throughput antenas direccionales (escenario 2)................................ 48 Fig. 30. Comparativa throughput (escenario 2) ............................................... 49 Fig. 31. Throughput relativo antenas omnidireccionales (escenario 2) ........... 50 Fig. 32. Throughput relativo antenas direccionales (escenario 2) ................... 50 Fig. 33. Comparativa throughput relativo (escenario 2)................................... 51 58 Diseño de protocolos MAC para redes ad-hoc utilizando antenas direccionales inteligentes Lista de tablas 59 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Aplicaciones de las MANET ................................................................. 5 Tabla 2. Descripción de las diferentes normas del 802.11................................. 8 Tabla 3. Velocidades que alcanzan diferentes normas del 802.11 .................... 9 Tabla 4. Tabla localización Nodo 1 de la Fig 16............................................... 24 Tabla 5. Valor de los parámetros utilizados ..................................................... 29 Tabla 6. Variables globales – Simulador para antenas omnidireccionales....... 31 Tabla 7. Variables de Cnodo – Simulador para antenas omnidireccionales .... 32 Tabla 8. Parámetros del simulador de antenas direccionales.......................... 36 Tabla 9. Variables de clase Cnodo – Simulador para antenas direccionales... 36 Tabla 10. Ejemplo de tabla de localización para el simulador.......................... 37