DEE -Politecnico di Bari DEE -Politecnico di Bari Unità del Politecnico di Bari Unità del Politecnico di Bari Sintesi e ottimizzazione Sintesi e ottimizzazione energetica di protocolli di energetica di protocolli di acceso e trasporto in reti acceso e trasporto in reti wireless multihop wireless multihop Pietro CAMARDA (Coordinatore) Gennaro BOGGIA (Ricercatore) Marcello CASTELLANO (Ricercatore) Cataldo GUARAGNELLA (Ricercatore) Orazio FIUME (Dottorando) Domenico STRICCOLI (Ricercatore) Alfredo GRIECO (Contratto) ……
Unità del Politecnico di Bari. Sintesi e ottimizzazione energetica di protocolli di acceso e trasporto in reti wireless multihop Pietro CAMARDA (Coordinatore) Gennaro BOGGIA(Ricercatore) Marcello CASTELLANO(Ricercatore) Cataldo GUARAGNELLA(Ricercatore) Orazio FIUME(Dottorando) - PowerPoint PPT Presentation
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DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
Unità del Politecnico di BariUnità del Politecnico di Bari
Sintesi e ottimizzazione Sintesi e ottimizzazione energetica di protocolli di acceso energetica di protocolli di acceso
e trasporto in reti wireless e trasporto in reti wireless multihopmultihop
Pietro CAMARDA (Coordinatore)Gennaro BOGGIA (Ricercatore)Marcello CASTELLANO (Ricercatore)Cataldo GUARAGNELLA (Ricercatore)Orazio FIUME (Dottorando)Domenico STRICCOLI (Ricercatore)
Alfredo GRIECO (Contratto)……
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di BariSintesi e ottimizzazione energetica di protocolli di acceso e trasporto in reti wireless multihop
Ottimizzazione dello strato MAC in reti wireless Ottimizzazione dello strato MAC in reti wireless “AD-HOC”“AD-HOC” (Area Tematica 2 – Gestione delle risorse radio) (Area Tematica 2 – Gestione delle risorse radio)
Protocolli di trasporto per reti wireless “AD-HOC” Protocolli di trasporto per reti wireless “AD-HOC” (Area Tematica 4 - Protocolli di trasporto) (Area Tematica 4 - Protocolli di trasporto)
Ottimizzazione dello strato MAC in reti AD-Ottimizzazione dello strato MAC in reti AD-HOCHOC
Ottimizzazione degli schemi MAC utilizzati nelle reti “Ad Hoc” basate sullo standard 802.11
Sintesi e analisi di architetture distribuite basate su BIBD (Balanced Incomplete Block Design) per ottimizzare i periodi di attività/inattività(Doze) delle stazioni
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
Protocolli di trasporto per reti wireless AD-Protocolli di trasporto per reti wireless AD-HOCHOC
Studio e simulazione di varianti del TCP, idonee per reti “Ad Hoc” multihop (Predisposizione software di analisi e primi risultati)
Meccanismi interstrato Paradigma end to end Ecc.
in grado di migliorare: Prestazioni Efficienza energetica ……
Ottimizzazione di protocolli per servizi “real time” basati su UDP (voce su IP, Video streaming, ecc.) (in corso di impostazione)
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
BIBD-based MAC protocols for Energy Saving in Wireless Ad
Hoc Networks
Politecnico di Bari – DEEVia E. Orabona n. 4 – 70125 Bari (Italy)
Outline802.11 & Energy savingBIBD theoryCF-Mac ArchitectureH-MacSimulationsConclusions
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Energy constrainsMobile devices need power.Batteries have finite capacity.To increase the yield from a battery: Make it bigger. Reduce its drain.
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
Drawbacks of the DCF in IEEE 802.11Netwoks
Main reasons of energy expenditure:CollisionsIdle power consumption waiting to send/receive packetsIdle power consumption until a new Beacon Interval starts, when an ATIM frame is sent or received.
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BIBD Theory
vrbk
)1()1( vkr
The decision problem is to determine if it is possible for v stations to be awake in r slots, each shared by k stations, where b is the comprehensive number of slots in such a way that any two stations turn on their radio in the same group at most once.
Stations (v)
1 32 4 5 6 7
1
3
2
4
5
6
7
Slo
ts (b
)
Access at the 1st minislotAccess at the 1st minislot
Access at the 2nd minislotAccess at the 2nd minislot
Access at the 3rd minislotAccess at the 3rd minislot
(7,7,3,3,1)(7,7,3,3,1)
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CF-Mac Architecture
RTS\CTS RTS\CTSRTS\CTS
Access Window Exchange Window
1st Minislot 3rd Minislot 2nd Minislot
Tm
Ts - Time Slot
The generic time slot is divided in two parts: an access window and a data exchange window. The access window contains k minislots, each one assigned to one of the k stations that share the slot, while the other (v-k) are in doze state.
If one of k station has scheduled traffic to transmit, it sends a RTS frame to the destination station, which replies, if is one of other (k-1) stations, with a CTS frame. Then, the transmission starts immediately and the two stations can use the remaining time of time slot to exchange data.
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Results: channel utilization
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40
k - Number of stations sharing the same slot
pu -
Pro
bab
ilit
y o
f ch
ann
el u
tili
zati
on
= 100
= 80
= 60
The probability that in a generic slot the channel is occupied by a transmission is very close to 1.
kk
u v
kvp
11
1
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
Results: Energy Saving
96.0%
96.5%
97.0%
97.5%
98.0%
98.5%
99.0%
99.5%
100.0%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
k - number of station sharing the same slot
Es -
Ene
rgy
Sav
ing
[%]
= 0.001
= 0.01
= 0.1
= 0.2
= 0.4
T s
T s
T s
T s
T s
s 4.0001.0
15
100
s
m
T
sT
v
The energy saving function decreases monotonically with k until a constant value as reached, and it is insensitive to Ts other then 1ms. s
as vT
TE 1
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Results: Efficiency
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 5 10 15 20 25 30 35 40
k - number of station sharing the same slot
h -
Eff
icie
ncy
= 0.001
= 0.01
= 0.1
= 0.2
= 0.4
T s
T s
T s
T s
T s
The efficiency is a function of k, that increases monotonically until a constant value is reached, which is very close to 1.
k
iii pu
1
h
s 4.0001.0
15
100
s
m
T
sT
v
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H-Mac Protocol
802.11 PS based
BIBD-based schedule
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
Computer Simulations: Assumptions
Limited geographical coverage of the network
Single Hop
Negligible mobility
Set of parameters (25,30,6,5,1) (15,15,5,5,3)
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di BariResults: Energy consumption
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
0 50 100 150 200 250
Time Slot (ms)
Tot
al E
nerg
y C
onsu
mpt
ion/
Thr
ough
put
(Js/
kbit
)
DCF HL DCF LLH-MAC HL H-MAC LLCF-MAC HL CF-MAC LL
15 Stations 15 Stations
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di BariResults: Energy consumption
25 Stations25 Stations
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
0 50 100 150 200 250
Time Slot (ms)
Tot
al E
nerg
y C
onsu
mpt
ion
(J)
DCF HL DCF LLH-MAC HL H-MAC LLCF-MAC HL CF-MAC LL
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di BariResults: Energy/Throughput
15 Stations15 Stations
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
0 50 100 150 200 250
Time Slot (ms)
Tot
al E
nerg
y C
onsu
mpt
ion/
Thr
ough
put
(Js/
kbit
)
DCF HL DCF LLH-MAC HL H-MAC LLCF-MAC HL CF-MAC LL
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di BariResults: Energy/Throughput
25 stations25 stations
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
1.0E+11
0 50 100 150 200 250
Time Slot (ms)
Tot
al E
nerg
y C
onsu
mpt
ion
/ T
hrou
ghpu
t (J
s/kb
it)
DCF HL DCF LLH-MAC HL H-MAC LLCF-MAC HL CF-MAC LL
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Results: Delay
15 Stations15 Stations
10
100
1000
10000
0 50 100 150 200 250
Time Slot (ms)
One
Way
Pac
ket
Del
ay (
ms)
DCF HL DCF LLH-MAC HL H-MAC LLCF-MAC HL CF-MAC LL
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
Results: Delay
25 Stations25 Stations
100
1000
10000
100000
0 50 100 150 200 250
Time Slot (ms)
One
Way
Pac
ket
Del
ay (
ms)
DCF HL DCF LLH-MAC HL H-MAC LLCF-MAC HL CF-MAC LL
DEE -Politecnico di BariDEE -Politecnico di Bari
ConclusionsCF-Mac and H-Mac protocol have been designed starting from the theory of BIBD
Their performance has been evaluated by computer simulations.
Results have shown that these schemes are able to provide a good energy saving preserving the transmission efficiency, moreover CF-Mac is more suitable for time-
constraint traffics.
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Future works
The results reported in this paper will be extended in several directions:
mobility management extension to multi-hop networksadaptive resource allocationthe support of Quality of Service