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

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Métricas de roteamento conscientes da

energia para redes ad hoc

Diogo Lino P. Machado

Julho/2010

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Agenda

• Objetivo;

• Introdução

• Métricas Energy-Efficient;

• Protocolos com métricas conscientes da energia;

• Uma breve comparação das propostas apresentadas;

• Trabalhos Futuros;

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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;

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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;

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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);

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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;

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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;

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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;

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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, P₀ 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

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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;

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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);

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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_ié 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 – Ei(k) / Ei

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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(λαi(k) _{- 1);}

3. Encontre o menor caminho (de acordo com o peso dos enlaces w_i,j) da origem s_ke destino d_k para G reduzido e atribua o menor caminho à γ_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}

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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;

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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;

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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);

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Protocolos com métricas conscientes da energia

• 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;

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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;