ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Εργαστήριο Τηλεπικοινωνιών και Πληροφορίας & Δικτύων ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ “Χρονοπρογραμματισμός για μετάδοση πακέτων σε ασύρματα δίκτυα, με περιορισμούς στις καθυστερήσεις των πακέτων και στην κατανάλωση ενέργειας” Παπαδημητρίου Ιωάννης Επιβλέπων : Αν. Καθ. Πατεράκης Μιχάλης Επιτροπή : Αν. Καθ. Μαράς Ανδρέας Επικ. Καθ. Τριανταφύλλου Παναγιώτης Χανιά, Οκτώβριος 1999

Πλάνο παρουσίασης 1.Εισαγωγή 2.Περιγραφή Προβλήματος 3.Παράμετροι Συστήματος 4.Μετρικές Απόδοσης 5.Περίπτωση Broadcasting 6.Μικτή Περίπτωση Unicasting – Broadcasting 7.Μελλοντικές Προσπάθειες

Εφαρμογές AIDC (Automatic Identification and Data Capture)  Μεγάλος αριθμός αποδεκτών πληροφορίας  Αποδέκτες πληροφορίας μικρού μεγέθους και χαμηλού κόστους κατασκευής Μη συχνή αλλαγή (ή επαναφόρτιση) της μπαταρίας 1. Εισαγωγή 1 / 2 Πρόβλημα εξοικονόμησης ενέργειας (energy saving)

1. Εισαγωγή 2 / 2 Παράδειγμα : RFID (Radio Frequency IDentification) συστήματα  Αυτόματη Αναγνώριση Αντικειμένων  Έλεγχος Πρόσβασης και Μετακίνησης  Συλλογή Δεδομένων

Μετάδοση πακέτων από το σταθμό βάσης στα tags Απαιτήσεις :  Ελαχιστοποίηση των καθυστερήσεων  Μειωμένη κατανάλωση ενέργειας Προσέγγιση :  Πρόγραμμα ενεργοποίησης-απενεργοποίησης των tags  Στρατηγική χρονοπρογραμματισμού μεταδόσεων πακέτων 2. Περιγραφή Προβλήματος 1 / 2

2. Περιγραφή Προβλήματος 2 / 2 Μελετούνται δύο περιπτώσεις μετάδοσης πακέτων : Περίπτωση Broadcast πακέτων μόνο Μικτή Περίπτωση Unicast-Broadcast πακέτων

3. Παράμετροι Συστήματος 1 / 1 ΣύμβολοΠεριγραφή ΝΑριθμός αποδεκτών (tags) λ Ρυθμός Poisson αφίξεων πακέτων (πακέτα / slot) p Πιθανότητα ενεργοποίησης ενός tag σε ένα slot ΧΚλάσμα Unicast πακέτων

 Μέση συνολική καθυστέρηση (Unicast/Broadcast) πακέτου E(D)  Πηλίκο τυπικής απόκλισης προς μέση συνολική καθυστέρηση (Unicast/Broadcast) πακέτου σ D / E(D)  Μέγιστη απόδοση (throughput) αλγορίθμου (Μέγιστος υποστηριζόμενος ρυθμός άφιξης πακέτων λ max ) 4. Μετρικές Απόδοσης 1 / 1

5. Περίπτωση Broadcasting 1 / 9 Σχήμα 5.1

Εξεταζόμενοι αλγόριθμοι : Α) FCFS (First Come First Served)  Εξέταση πακέτων με βάση την “ηλικία” τους  Χειρότερος αλγόριθμος – Αναξιοποίητες Χρονοθυρίδες  Δυνατότητα θεωρητικού υπολογισμού λ max και E(D) Β) FCFS-NES (First Come First Served with No Empty Slots)  Αξιοποίηση κάθε χρονοθυρίδας με την εξέταση του επόμενου πακέτου 5. Περίπτωση Broadcasting 2 / 9

Εξεταζόμενοι αλγόριθμοι (συνέχεια) : Γ) MDF m (Most Destinations First) m  Εξέταση των m πιο παλιών πακέτων  Μετάδοση εκείνου με τους περισσότερους αποδέκτες  Καλύτερη αξιοποίηση κάθε slot Δ) (DxW) m  Εξέταση των m πιο παλιών πακέτων  Μετάδοση εκείνου με το μεγαλύτερο DxW, όπου D : ο αριθμός των αποδεκτών του πακέτου, W : η “ηλικία” του  Καλύτερη αξιοποίηση κάθε slot + δίκαιη αντιμετώπιση των πακέτων 5. Περίπτωση Broadcasting 3 / 9

Εξεταζόμενοι αλγόριθμοι (συνέχεια) : Ε) P-MDF m και P-(DxW) m (Preemptive MDF m και (DxW) m )  Τροποποιήσεις των δύο προηγούμενων αλγορίθμων  Αν κατά την εξέταση των m πιο παλιών πακέτων βρεθεί κάποιο που αν επιλεγεί να μεταδοθεί, ολοκληρώνεται η μετάδοσή του και στα Ν tags, τότε αυτό επιλέγεται να μεταδοθεί στην τρέχουσα χρονοθυρίδα  Μη περαιτέρω επιβάρυνση της καθυστέρησης πακέτου που μπορεί να “τελειώσει” 5. Περίπτωση Broadcasting 4 / 9

Παρουσίαση αποτελεσμάτων: Μέση συνολική καθυστέρηση πακέτου (slots) vs. λ (packets/slot) Σχήμα 5.2 (N=500, p=0.3  λ max, FCFS = ) 5. Περίπτωση Broadcasting 5 / 9

Παρουσίαση αποτελεσμάτων (συνέχεια): Πηλίκο τυπικής απόκλισης προς μέση συνολική καθυστέρηση πακέτου vs. λ (packets/slot) Μέγιστη απόδοση αλγορίθμου λ max (packets/slot) vs. p Σχήμα 5.3Σχήμα Περίπτωση Broadcasting 6 / 9

Παρουσίαση αποτελεσμάτων (συνέχεια): Μέση συνολική καθυστέρηση πακέτου (slots) vs. p (αλγόριθμος P-(DxW) m ) Πηλίκο τυπικής απόκλισης προς μέση συνολική καθυστέρηση πακέτου vs. p Σχήμα 5.5Σχήμα Περίπτωση Broadcasting 7 / 9

Πίνακας 5.1 Η παράμετρος m: Για τους αλγόριθμους MDF m, (DxW) m, P- MDF m, και P- (DxW) m για κάθε τιμή του λ υπάρχει βέλτιστο m (αντιστοιχεί στην ελάχιστη μέση καθυστέρηση), το οποίο αυξάνει για μεγαλύτερα λ. (Στον ακόλουθο πίνακα : αλγόριθμος P-(DxW) m, μέγιστη βελτίωση 9%) 5. Περίπτωση Broadcasting 8 / 9

5. Περίπτωση Broadcasting 9 / 9 Συμπεράσματα : Για κάθε λ υπάρχει βέλτιστο m, το οποίο αυξάνει για μεγαλύτερα λ Για μικρά λ, πλέον αποδοτικός είναι ο αλγόριθμος FCFS-NES, ενώ για μεγαλύτερα ο P-(DxW) m Για κάθε p, μέγιστη απόδοση επιτυγχάνει ο P-(DxW) m για m=  Αύξηση του p  αύξηση του throughput κάθε αλγορίθμου Αύξηση του p  μείωση E(D) και σ D / E(D) για κάθε αλγόριθμο Αύξηση του Ν  αύξηση E(D) και σ D / E(D) για κάθε αλγόριθμο

 Ποσοστό Unicast πακέτων αρκετά μικρότερο από το ποσοστό των Broadcast  Προτεραιότητα στα Unicast πακέτα  Ομοιόμορφη κατανομή στους προορισμούς Unicast πακέτων 6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 1 / 10

Εξεταζόμενοι αλγόριθμοι : Α) FCFS (First Come First Served)  Ενιαία αντιμετώπιση των πακέτων (Κοινή λίστα)  Εξέταση με βάση την “ηλικία” τους  Χειρότερος αλγόριθμος – Αναξιοποίητες Χρονοθυρίδες  Δυνατότητα θεωρητικού υπολογισμού λ max και E(D) Β) FCFS-NES (First Come First Served with No Empty Slots)  Ενιαία αντιμετώπιση των πακέτων (Κοινή λίστα)  Αξιοποίηση κάθε χρονοθυρίδας με την εξέταση του επόμενου πακέτου 6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 2 / 10

Εξεταζόμενοι αλγόριθμοι (συνέχεια) : Γ) 2L-(FCFS-NES) (Two Lists – First Come First Served with No Empty Slots)  Ξεχωριστές λίστες Unicast / Broadcast πακέτων  Απόλυτη προτεραιότητα στη Unicast λίστα  Εφαρμογή του FCFS-NES στη Broadcast λίστα Δ) 2L-[P-(DxW) m ] (Two Lists – Preemptive (DxW) m )  Ξεχωριστές λίστες Unicast / Broadcast πακέτων  Απόλυτη προτεραιότητα στη Unicast λίστα  Εφαρμογή του P-(DxW) m στη Broadcast λίστα 6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 3 / 10

6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 4 / 10 Σχήμα 6.1

Παρουσίαση αποτελεσμάτων: Μέση συνολική καθυστέρηση Unicast πακέτων (slots) vs. λ (packets/slot) (Ν=500, p=0.5, Χ=0.3) Μέση συνολική καθυστέρηση Broadcast πακέτων (slots) vs. λ (packets/slot) Σχήμα 6.2 Σχήμα Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 5 / 10

Παρουσίαση αποτελεσμάτων (συνέχεια): Σχήμα 6.4Σχήμα 6.5 Πηλίκο τυπικής απόκλισης προς μέση συνολική καθυστέρηση Unicast πακέτων vs. λ (packets/slot) Πηλίκο τυπικής απόκλισης προς μέση συνολική καθυστέρηση Broadcast πακέτων vs. λ (packets/slot) 6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 6 / 10

Παρουσίαση αποτελεσμάτων (συνέχεια): Μέση συνολική καθυστέρηση πακέτου (slots) vs. λ (packets/slot) E(D)=X*E(D u )+(1-X)*E(D b ) Μέγιστη απόδοση αλγορίθμου λ max (packets/slot) vs. (p, Χ) Σχήμα 6.6Σχήμα Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 7 / 10

Παρουσίαση αποτελεσμάτων (συνέχεια): Μέση συνολική καθυστέρηση Broadcast πακέτων (slots) vs. X [αλγόριθμος 2L-(P-(DxW) m )] Σχήμα Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 8 / 10 Το Χ δεν επηρεάζει ουσιαστικά τα E(D u ) και σ Du / E(D u ) Το Ε(D) μειώνεται, E(D)=X*E(D u )+(1-X)*E(D b ) Μείωση, έστω και μικρή, και στο σ Db / E(D b )

Συμπεράσματα: 6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 9 / 10 Για κάθε λ και Χ οι αλγόριθμοι 2L-(FCFS-NES) και 2L-[P-(DxW) m ] δίνουν το μικρότερο E(D u ) και σ Du / E(D u ) (ίδια συμπεριφορά) Για τα E(D b ), σ Db / E(D b ) και E(D) παρόμοια συμπεριφορά των αλγορίθμων μέχρι μία ορισμένη τιμή του λ, ενώ μετά είναι εμφανής η υπεροχή του 2L-[P-(DxW) m ]

Συμπεράσματα (συνέχεια): 6. Μικτή Περίπτωση Unicasting–Broadcasting 10 / 10 Για κάθε (p, Χ) μέγιστη απόδοση επιτυγχάνει ο 2L-P-(DxW) m για m=  Αύξηση του p ή του Χ  αύξηση του throughput κάθε αλγορίθμου Αύξηση του Χ (για σταθερό και σχετικά μεγάλο λ)  μείωση των E(D b ), σ Db / E(D b ) και E(D)

7. Μελλοντικές Προσπάθειες 1 / 1  Περίπτωση ετερογενούς κίνησης πακέτων Α) Διαφορετικές κατανομές για την επιλογή του tag προορισμού ενός Unicast πακέτου (εκτός της ομοιόμορφης) Β) Διαφορετικές πιθανότητες p από διαφορετικά tags, ανάλογα με την αναμενόμενη κίνηση για το κάθε ένα  Μελέτη επίδρασης θορύβου στο κανάλι στην απόδοση των αλγορίθμων  Διεξοδική μελέτη της περίπτωσης Multicasting