Ad Hoc Network Lifetime Optimization Alexander Bass Ilana Romov Supervised by Michael Segal שלום! אני אילנה השותף שלי הוא אלכס. את הפרויקט שלנו- עשינו בהנחייתו של ד"ר מיכאל סגל. ונושא הפרוייקט- אופטימיזצית אורך חיי רשת אד הוק אלחוטית

Outline Introduction Problem definition Project objectives Algorithm presentation Simulation Results & conclusions אני אסביר בקצרה על רשתות אד הוק. אציג את הבעיה ,את המסגרת התיאורטית ואדבר על מטרות הפרוייקט. אלכס ימשיך וידבר על האלגוריתם , יציג את התוצאות שקיבלנו ואת המסקנות שאליהם הגענו. __________- ימחיש את האלגוריתם ויציג רק קמצוץ שקיבלו.

What is Ad Hoc Network? Independent wireless communication units No central base station Communication only with nodes in transmission range Each host can relay data No specific predefined topology No previous infrastructure אז מה זה למעשה רשת אד הוק.... זוהי רשת מבוזרת , כלומר רשת המורכבת מיחידות בלתי תלויות שמתקשרות אחת עם השנייה ללא יחידת בסיס מרכזית. למעשה התקשורת נעשית באופן ישיר בין שתי יחידות קצה הנמצאות אחת בטווח שידור אחת של השנייה. עבור יעד מרוחק שלא נמצא בטווח השידור, המידע יועבר באמצעות צמתי ביניים. למעשה שתי התכונות החשובות ביותר של רשתות אד הוק הן שאין צורך בתשתית קודמת כלומר פרישת הרשת היא פשוטה למדי וכמו כן הטופולוגיה היא גמישה וניתנת לשינוי.

Where is it used? Sensor networks Gathering surrounding information and sending it to a gateway station: Seismic Acoustic Magnetic activity Motion detectors אחד השימושים העיקריים של רשתות אד הוק הם בהקמת רשתות חיישנים. החיישנים אוספים מידע על פעילות ססמית,אקוסטית או מגנטית סביבם ומעבירים אותו לתחנת איסוף מרכזית אשר מעבדת את המידע (לכדי תוצאות ומסקנות).

Where is it used? Emergency scenarios Medical emergencies Fighting Nature disasters Medical emergencies Fighting Rescuing etc. שימוש נוסף הוא בפרישת רשתות תקשורת בשדה קרב כאשר אין תשתית תקשורת מוכנה, או בעת חילוץ במקרי אסון כמו רעידת אדמה או הוריקנים כאשר קיימת נפילה של רשתות הסלולר

Where is it used? Civil needs Special events like festivals Construction sites Laboratories וכמו כן ניתן להשתמש ברשתות אד הוק לתקשורת באתרי בנייה ואבטחה וארגון של ארועים שונים

What is the problem? Battery - the only energy resource Battery discharge may lead to network division, meaning there will be nodes that won't be able to communicate אז עם כל היתרונות האלו חייבת להיות בעיה,אז מה בעצם הבעיה.... כל יחידות הקצה עובדות על סוללת וזה בעצם מקור האנרגיה היחיד שלהם והמשאב הכי חשוב ברשת... ברגע שלצומת מסוימת תגמר הסוללה היא לא תהיה מסוגלת להעביר מידע , זאת אומרת היא לא תוכל לתווך בין צמתים ויווצר מצב שבו יהיה נתק בין אזורים שונים ברשת כלומר לא תהיה קישוריות, כמו שהצגת ממחישה זאת.

Definition Network Lifetime - the time that passes until any first node runs out of battery. כדי להסביר את מטרת הפרוייקט נגדיר את המושג אורך חיי רשת (NETWORK LIFETIME). למעשה אורך חיי הרשת מוגדר בתור הזמן שעובר מרגע הקמת הרשת ועד לרגע שבו לצומת ראשונה כלשהי נגמרת הסוללה.

Project’s objective Propose, simulate and investigate an energy-sensitive routing algorithm for wireless ad hoc network, which will maximize the network lifetime . מטרת הפרוייקט שלנו היא לפתח אלגוריתם לניתוב מידע ברשת אד הוק כך שיגדיל את אורך חיי הרשת תוך התחשבות באנרגיות של הסוללות.

Project’s Flow Study of the existing algorithms which offer a solution to the problem 1 Design an improved algorithm to solve the problem 2 Simulating the algorithm, using OMNET++ simulator and C++ programming language 3 במהלך העבודה על הפרוייקט היו מספר שלבים: בהתחלה למדנו על רשתות אד הוק קראנו וניתחנו מאמרים על אלגוריתמים שקיימים בנושא. לאחר מכן פיתחנו אלגוריתם משלנו שנציג אותו בהמשך. בהמשך תכנתנו את האלגוריתם שלנו וסימלצנו אותו ב- OMNET שהוא סימולאטור לרשתות תקשורת. וכרגע אנו בשלב של איסוף סטטיסטיקה והסקת מסקנות Gathering statistics, derived from the simulations 4

Source Routing The entire path to destination is known The path is included in message header The source makes most or all of the routing decisions for nodes in the route Header לפני שנציג את האלגוריתם נתאר בקצרה את שיטת ניתוב שנקראת SOURCE ROUTING. ב- SOURCE ROUTING המסלול המלא אל היעד מחושב מראש וידוע למקור. והוא מוכנס בשלמותו לתוך ה- HEADER של חבילת המידע, ובכך למעשה נחסך הצורך בחישוב המשך המסלול בצמתי הביניים. PATH DATA

The Algorithm Steps: 1. Route Discovery 2. Route Reply 3. Data Sending 4. Battery Update כעת נציג את שלבי האלגוריתם שלנו. בעצם התקשורת מורכבת ש- 4 חלקים.

Route Discovery Initiated when there are no routes to destination The source sends a broadcast message with the address of the destination Messages travel to destination through different paths Each intermediate node adds itself to the route record in the message. The destination calculates each route’s cost כאשר צומת רוצה לשדר ליעד שלא נמצא בטבלת ניתוב שלו, היא מתחילה תהליך שנקרא ROUTE DISCOCVERY בתהליך זה משודרת הודעת BROADCAST שהיא מעין הודעת חיפוש ברשת אשר מכילה את כתובת צומת היעד. החבילה מכילה שדה של מסלול וערך של צוואר בקבוק ((BOTTLENECK מבחינת שארית אנרגיה. החבילה מתפשטת ברשת, וכל צומת שמקבלת אותה מכניסה את הכתובת שלה לשדה המסלול ומעדכנת את ערך הצוואר בקבוק בהתאם. כאשר צומת היעד מתחיל לקבל את ההודעות המיועדות אליו הוא מחשב את מחיר המסלול לפי הפרמטרים השמורים בהודעה לפי פונקצית מחיר שנציג בהמשך. היעד אוסף כמות מסוימת של הודעות כאלה במשך זמן מוגדר מראש, שומר את המסלולים הכי טובים בטבלת ניתוב שלו.

Route Discovery 9 10 4 11 2 Msg to 7 8 12 3 1 6 7 5

Route Reply Now the destination has a list of best routes to the source This list is sent back to the source The source updates its routing table אחרי שלצומת היעד יש את רשימת המסלולים הכי טובים אל המקור הוא שולח אותה אליו דרך מסלול ספציפי. המקור מעדכן את טבלת הניתוב שלו ועכשיו יש לו רשימת מסלולים אל היעד הזה והוא מסוגל לשלוח אליו מידע.

Route Reply 9 10 4 11 2 8 12 3 6 1 7 5

Data Sending 9 10 4 11 12 2 8 3 שליחת המידע נעשית בצורה כזאת שהחבילה עוברת במסלול הכדאי ביותר מבחינת פונקצית מחיר כך ששימוש באנרגיות של הצמתים ברשת מתבצע בצורה אחידה ומאוזנת יותר. 6 1 7 5

Battery Update 9 10 4 11 Out of Battery 12 2 8 1 6 7 5 משום שעלות המסלולים והכדאיות שלהם תלויה בערכי האנרגיה של הסוללות ברשת, הצמתים צריכים לעדכן אחד את השני לגבי ערכי הסוללות. לכן כאשר צומת רואה שערך האנרגיה אצלו ירד בצורה משמעותית הוא שולח הודעת BROADCAT שבה הוא מודיע לשאר הרשת על ערך האנרגיה החדש שלו. צומת שמקבל את הודעת עדכון כזאת מחשב מחדש את עלות המסלולים שבהם מופיע הצומת שיזם את הודעה, וככה מעדכן את טבלת הניתוב שלו. 1 6 7 5

The Cost Function אחד החידושים באלגוריתם שפיתחנו טמון בפונקצית העלות שניתנת לכל מסלול. פונקצית העלות מתחשבת במספר פרמטרים שהם קריטיים לאופטימיזצית אורך חיי הרשת. הפרמטר העליון מסמל את סכום הספקי השידור הנדרשים להעברת החבילה במסלול. באופן טבעי נעדיף לשדר במסלולים אשר דורשים הספק מינימאלי. הפרמטר השמאלי התחתון מסמן את ערך צוואר הבקבוק מבחינת שארית אנרגיה, כלומר הצומת עם האנרגיה הנמוכה ביותר במסלול. צומת צוואר הבקבוק היא הצומת בעלת סיכויים גבוהים להיגמר ולכן היא יכולה לגרום לנתק ברשת. מסלול בעל צוואר בקבוק גבוה יקבל ערך נמוך הפרמטר השלישי הוא סכום שאריות האנרגיה של הצמתים במסלול אשר מנורמלים לפי האנרגיה ההתחלתית שלהם.

Simulation Model 40 hosts Simulation area- 600 m x 600 m One to one communication Simulation runs until any first node runs out battery Each scenario runs 100 times with different random topology Technical details: Transmissions power - 10 mW Path loss coefficient - 2 Maximal transmission distance - 200 m לפני שנציג לכם מספר תוצאות ביניים שהגענו אליהם. הרצנו סימולציה עם 40 צמתים הפרושים באופן רנדומאלי על שטח של 600X600 מטר. התקשורת נעשית בין שני צמתים מסוימים ברשת. הרצנו 100 פעמים כל סימולציה עבור סט של ערכים מסויימים.

Simulation Results [Number of transmitted packets as a function of [X1 X2 X3 הגרף בשקף מציג את מספר ממוצע ומקסימום ההודעות ששודרו עבור מקרים שונים של פרמטרי המשקל X1,X2,X3 באופן כללי ניתן לראות שבמקרים בהם לא ניתן משקל רב לפרמטר של צוואר הבקבוק התוצאות גרועות יותר. הממוצע הטוב ביותר מתקבל עבור 141 המקסימום הגבוה ביותר מתקבל עבור 333

Simulation Results (cont.) Number of transmitted packets as a function of CC הגרף בשקף מציג את מספר ממוצע ומקסימום ההודעות ששודרו עבור מקרים שונים של פרמטר שאנחנו קוראים לו CRITICAL CHANGE אשר מסמן את ערך השיני הקריטי באנרגית הסוללה שהחריגה ממנו גורמת לשליחת הודעת עדכון סוללה. באופן כללי ניתן לראות שככל שהפרמטר גבוה יותר התוצאות גרועות יותר. הממוצע הטוב ביותר מתקבל עבור 5 המקסימום הגבוה ביותר מתקבל עבור 20 CC – battery critical change parameter

Simulation Results (cont.) Number of transmitted packets as a function of r הגרף בשקף מציג את מספר ממוצע ומקסימום ההודעות ששודרו עבור מספר שונה של מסלולים הנשמרים בטבלת ניתוב עבור כל יעד. באופן כללי ניתן לראות שבממוצע אין שינוי רב בין המקרים, אבל מספר המסלולים שנשמרים משפיע על מספר הפעמים שנעשה ROUTE DISCOVERY המקסימום הגבוה ביותר מתקבל עבור 333 r – number of saved routes per node

Simulation Results (cont.) חוץ ממספר ההודעות שעברו ברשת רצינו לבדוק את פיזור הסוללות ברת בתום ריצת הסימולציה. השקף מציג את הפיזור עבור אלגוריתם בסיסי הנקרא MINIMUM HOP. ניתן לראות שיש רק שני צמתים שהשתמשו בהם והם אלו שנגמרו.

Simulation Results (cont.) ואילו בשקף הזה ניתן לראות את פיזור האנרגיות בסוללה עבור הסימולציה של האלגוריתם שלנו. אפשר לראות שהיה שימוש בצמתים שונים ובמסלולים שונים ופיזור האנרגיה אחיד יותר וישנו איזון בשימוש בצמתים השונים.

Simulation Results (cont.) Number of route discoveries as a function of r בגרף הזה אנו רואים את המספר הממוצע של ה route discovery שביצע הצומת במהלך שידור אל היעד. אפשר לראות כי מספר החיפושים קטן ככל שמספר המסלולים שהצומת שומר בטבלת הניתוב שלו גדול יותר. r – number of saved routes per node

Conclusions Good node utilization Higher traffic volume Bottleneck – the most significant parameter

Questions?