Προσαρμοστική επιδημική διάδοση σε ασύρματα αδόμητα δίκτυα

Το αντικείμενο της έρευνας αυτής είναι η επιδημική διάδοση (epidemic dissemination) πληροφορίας σε ασύρματα αδόμητα (ad hoc) δίκτυα με προσαρμοστικό τρόπο. Στό- χοι είναι η συμφιλίωση των απαιτήσεων για ευρεία διάδοση της πληροφορίας και για μειωμένο ενεργειακό κόστος, η εκτίμηση μιας βέλτιστης λύσης του προβλήματος αλ- λά και η επίτευξη της βέλτιστης απόδοσης στους εν λόγω τομείς με υψηλής ποιότητας πληροφορία. Η προσαρμοστική επιδημική διάδοση (Π.Ε.Δ.) σε αδόμητα δίκτυα σε θορυβώδες περι- βάλλον είναι πρόβλημα με πολλές παραμέτρους. Με τη χρήση της διαστρωμάτωσης (cross-layering) με βάση την επίγνωση κατάστασης καναλιού μπορούν να κατασκευαστούν σχήματα προσαρμοστικής διάδοσης, τα οποία εξοικονομούν ενέργεια διατηρώντας ταχεία και αποτελεσματική διάχυση πληροφορίας ή μόλυνση του δικτύου, σύμφωνα με την ορολογία της επιδημικής διάδοσης [1]. Αυτού του είδους η αντιμετώπιση [1] είναι αναδραστική. Μπορεί όμως να σχεδιαστεί μια εκδοχή σχημάτων με πρόβλεψη η οποία χρησιμοποιεί συναρτήσεις οφέλους για την προσαρμογή των χαρακτηριστικών εκπομπής. Η προτεινόμενη λύση είναι μια απόδει- ξη της αρχής λειτουργίας (proof of concept, PoC) αυτής της ιδέας. Με την αντιμετώπιση αυτή εξοικονομείται ενέργεια ενώ και η διάχυση πληροφορίας είναι επιτυχής [2]. Το πιο πάνω σχήμα μπορεί να ενισχυθεί με τη χρήση βελτιστοποίησης. Ελέγχοντας ποια προσαρμογή είναι η πλέον σύμφορη σε κάθε χρονική στιγμή όπως στο [2], επι- τυγχάνεται μια έστω και «μυωπική» ορατότητα στο άμεσο μέλλον. Με τη χρήση της θεωρίας βέλτιστης παύσης (β.π.) μπορεί να αποκτηθεί καλύτερη ορατότητα σε βάθος χρόνου και να προσεγγιστεί η βελτιστοποίηση. Η πραγματική βελτιστοποίηση εξαρτά- ται από την ικανοποίηση συνθηκών β.π. Αν αυτές δεν ικανοποιούνται πλήρως, τότε και οι αποκτώμενες λύσεις δεν είναι κατ’ ανάγκη βέλτιστες. Αυτό φαίνεται στην [3] με τη χρήση του κανόνα β.π. (one-stage-look-ahead, 1sla). Μπορεί να επιτευχθεί βελτί- ωση σε σχέση με μη προσαρμοστικές λύσεις ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας. Η ευρεία μόλυνση του δικτύου εξακολουθεί να επιτυγχάνεται [3]. Εξετάζεται στη συνέχεια ως πρόβλημα Π.Ε.Δ. ο χρονοπρογραμματισμός τακτικών εκ- πομπών. Η βελτιστοποίηση προσεγγίζεται με τη μετάβαση από αυστηρά περιοδικές εκπομπές σε πλησιοπεριοδικό καθεστώς. Ο χρονοπρογραμματισμός πραγματοποιεί- ται με τη βοήθεια των ιδίων εργαλείων, δηλαδή διαστρωματικές συναρτήσεις οφέλους και χρήση μηχανισμού β.π. Το πρόβλημα αυτό μοντελοποιείται ως κλασικό πρόβλημα γραμματέως, στο οποίο η χρήση β.π. προσφέρει βελτιστοποίηση. Σε σχέση με σχή- ματα χωρίς β.π. [2] και με μη προσαρμοστικά το σχήμα αυτό είναι αποδοτικότερο στην εξοικονόμηση ενέργειας και επιτρέπει εξ ίσου επιτυχημένη μόλυνση του δικτύου. Είναι δυνατόν να συνυπολογιστεί και το ενεργειακό κόστος απόκτησης πληροφορίας κατά- στασης καναλιού (ΠΚΚ). Με τη βοήθεια αυτού του σχήματος, το δίκτυο συγκλίνει σε κατάσταση στην οποία το κόστος διάχυσης είναι σημαντικά ελαττωμένο ενώ σημαντικό ποσοστό του εναπομένοντος κόστους οφείλεται στην ανάκτηση ΠΚΚ ([4]). Οι ακριβείςσυσχετισμοί εξαρτώνται από τις παραμέτρους του προβλήματος [4]. Περαιτέρω θίγεται η δυνατότητα βελτίωσης της ποιότητας πληροφορίας με την αξιο- ποίηση σχημάτων σαν αυτό της [4]. Αρχικά θεωρείται ως ποιότητα η νεότητα της δια- χεόμενης πληροφορίας. Προτείνεται προσαρμογή των χαρακτηριστικών εκπομπής με βάση τη νεότητα της μολύνουσας πληροφορίας με στόχο τη βελτίωση της μέσης ηλικί- ας της μολύνουσας τους κόμβους πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό εισάγεται η ιδέα της προσαρμογής των χαρακτηριστικών εκπομπής με βάση το περιεχόμενο της ίδιας της φερόμενης πληροφορίας. Ο μετριασμός των ευρυεκπομπών κατά τη φάση ανακάλυψης μονοπατιού στα πρω- τόκολλα δρομολόγησης είναι ένας ακόμη ελκυστικός στόχος και αντιμετωπίζεται στα πλαίσια του πρωτοκόλλου AODV. Εδώ αναδεικνύεται ο ανταγωνισμός μεταξύ εξοικο- νόμησης ενεργειακού κόστους και ταχείας εύρεσης πληροφορίας δρομολόγησης. Σε μια απόπειρα επέκτασης της τεχνικής στην εκπομπή της ίδιας της δρομολογούμενης πληροφορίας (των δεδομένων δηλαδή), μεταπίπτουμε σε περιβάλλον μονοεκπομπών (unicast). Εδώ, ο μετριασμός εκπομπών μπορεί να έχει σοβαρές συνέπειες στη μετά- δοση πληροφορίας και καταδεικνύεται η ανάγκη εξέτασης του προβλήματος με τη βο- ήθεια μετρικών που εκφράζουν την έννοια της ποιότητας υπηρεσίας (quality of service, QoS) και κατ’ επέκταση της ποιότητας της πληροφορίας. Το εξεταζόμενο πρόβλημα χρονοπρογραμματισμού με την πρόσθετη νέα απαίτησης της βελτίωσης της ποιότητας πληροφορίας μπορεί να διατυπωθεί αυστηρά ως πρό- βλημα βέλτιστης παύσης με πεπερασμένο γνωστό ορίζοντα. Η ποιότητα πληροφορίας μπορεί να ορίζεται με βάση ιδιότητές της (όπως η νεότητα που αναφέρθηκε) ή παραμέτρους του πρωτοκόλλου στα πλαίσια του οποίου γίνεται η διάχυσή της, όπως το TTL (time-to-live) στην περίπτωση του AODV. Έτσι η ποιότητα πληροφορίας αναδεικνύεται σε μια τρίτη συνιστώσα πέρα από το ε- νεργειακό κόστος και το ποσοστό μόλυνσης, η οποία λαμβάνει μέρος στον υπό εξέταση αναδυόμενο ανταγωνισμό. Ανάλογα με την οριζόμενη ποιότητα πληροφορίας είναι δυ- νατή η εύρεση συμβιβασμού μεταξύ των τριών αυτών απαιτήσεων.The focus of this research is epidemic information dissemination in wireless ad hoc networks in an adaptive manner. The main targets are the compromise between demands for broad information dissemination and reduced energy cost, the assessment of an optimal solution to the problem and also the achievement of optimal performance in the aforementioned areas with high quality inforamation. Adaptive epidemic dissemination (AED) in ad hoc networks in a noisy environment is a problem with many parameters. Using cross-layering based on channel state-awareness, one can engineer adaptive dissemination sche- mes, which save energy while retaining a fast and effective infection ([1] ). This type of scheme [1] is reactive, but a flavor of proactive scheme can be devised that uses utility functions in order to adapt transmission characteristics. The proposed solution is a proof of concept of this idea. With this approach energy cost is saved while infection remains successful [2]. The above scheme can be enhanced through the use of optimization. Assessing which adaptation is most beneficial at every round as in [2], a ”myopic” visibility to the future is at least achieved. Using optimal stopping theory (OST) one may obtain longer visibility and approach optimal solutions. The actual optimality depends on satisfaction of optimal stopping conditions. If these are not fully satisfied, then the obtained solutions are not necessarily optimal. This is displayed in [3] through the use of the one-stage-look-ahead, (1sla) optimal stopping rule. Improvement over non- adaptive schemes in terms of energy cost save is possible. Broad network infection is still as effective [3]. Optimization is investigated in the periodic broadcast problem, which is addressed with a transition to a near-periodic framework where scheduling is performed using the same toolcase, that is cross-layer utility functions and an optimal stopping mechanism. This problem is modeled as a secretary problem where the use of OST offers optimality. Compared against non-OST [2] and non-adaptive schemes this scheme wins in the energy cost save area and allows for successful network infection. The energy cost of channel state information (CSI) retrieval may also be considered. In this case, the system converges to a state where dissemination cost is dramatically reduced while a large proportion of the residual, steady-state energy cost is due to CSI acquisition. Exact relations depend on parameters of the problem [4]. Furthermore, the possibility to improve information quality is investigated using schemes such as the one in [4]. Information freshness is originally considered as the measure of quality. Adaptation of transmission characteristics based on information freshness is suggested aiming to improve the average age of the infecting information. In this manner, the idea of adapting transmission characteristics based on the actual payloadof the infecting information is introduced. Tuning broadcasts down to a polite gossip during the route discovery phase in routing protocols is an additional attractive area. This problem is addressed within the framework of the AODV protocol. The tradeoff between energy cost save and fast routing information discovery emerges here. In an effort to expand the technique to the actual routed data transmission (i.e. the user data), we move from broadcasting to a unicast landscape. Here, the tuning down of transmissions may have significant impact on information propagation. It is shown that the problem is best addressed using metrics reflecting a conceived quality of service and by extension quality of information. The time scheduling problem enhanced by the additional information quality requirement can be formally expressed as an optimal stopping problem with known finite horizon. The quality of the information may be defined based on its properties (such as freshness as mentioned earlier) or parameters of the protocol concerned with the dissemination, such as TTL in case of AODV. In this manner, information quality emerges as a third component besides energy cost and network infection, which participates the addressed tradeoff. Depending on the defined information quality seeking a compromise between these three requirements is possible