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Tesi etd-02072011-223156


Tipo di tesi
Tesi di laurea specialistica
Autore
AMATO, ALESSIO
URN
etd-02072011-223156
Titolo
Simulazione e valutazione di un protocollo MAC adattivo per reti di sensori tramite Stochastic Activity Networks
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA INFORMATICA
Commissione
relatore Prof.ssa Bernardeschi, Cinzia
relatore Prof. Vecchio, Alessio
relatore Prof. Avvenuti, Marco
Parole chiave
  • simulazione
  • valutazione
  • protocollo MAC
  • protocollo adattivo
  • modello
  • Stochastic Activity Networks
  • SAN
  • Möbius
  • consumo energetico
  • sensori wireless
  • latenza
  • duty cycle
  • check mode
  • performance
  • eseguibilità
  • affidabilità
  • reti di Petri
  • place
  • token
  • marcatura
  • gate di input
  • gate di output
  • attività istantanee
  • attività temporizzate
  • case probabilities
Data inizio appello
04/03/2011;
Disponibilità
parziale
Data di rilascio
2051-03-04
Riassunto analitico
Questa tesi di laurea ha come oggetto la simulazione e la valutazione di un protocollo MAC adattivo per reti si sensori wireless, Adaptive B-MAC+, tramite modello basato su Stochastic Activity Networks; il modello è stato poi implementato ed eseguito con Möbius, un potente tool di modellazione sviluppato presso la University of Illinois.
Il protocollo Adaptive B-MAC+ è nato dalla esigenza di attenuare i problemi di consumo energetico dei nodi di una rete di sensori wireless: i motes sono alimentati in genere da batterie di capacità limitata e quasi sempre di difficile sostituzione. L’idea di base del protocollo è quella di implementare un meccanismo adattivo in grado di ottimizzare l’efficienza energetica dei sensori, garantendo comunque un ottima latenza. A questi due requisiti principali ovviamente si affiancano tutti quei requisiti che devono essere soddisfatti da un qualunque protocollo di livello MAC: minimo overhead, scalabilità, riduzione delle false collisioni, ottimizzazione della banda disponibile. Per conseguire questi obiettivi i nodi eseguono un duty cycle in cui si alternano momenti in cui la radio è spenta (consumi minimi) e momenti in cui la radio è accesa (per trasmettere, ricevere o testare il canale); la durata temporale di questi intervalli è regolata in maniera autonoma da ogni nodo, in base al traffico di rete percepito, allungando i tempi in cui la radio è spenta quando sulla rete non c’è troppo traffico, ed aumentando tale intervallo quando le trasmissioni dai nodi vicini si fanno più frequenti. La scelta degli intervalli più adatti si basa sull’applicazione di un ‘modo di funzionamento’ opportunamente scelto mediante una politica di valutazione studiata appositamente per ridurre i consumi. Lo studio attento del protocollo e della realtà in cui questo si trova ad operare è stato necessario per poter produrre un modello fedele e per individuare le misure e le valutazioni che il modello avrebbe dovuto rendere possibile.
Il lavoro si è poi spostato sullo studio delle reti SAN. La scelta SAN è motivata dal fatto che questo formalismo ben si adatta alla modellazione di protocolli di comunicazione e che, tramite primitive grafiche, possono ben specificare performance, eseguibilità ed affidabilità; inoltre è uno dei formalismi meglio supportati dal software di modellazione Möbius. Le reti SAN sono più che una semplice estensione delle reti di Petri: da queste ereditano i concetti di place, token e marcatura della reti, ma sostituiscono il concetto di transizione con quello di attività ed introducono i gate di input ed i gate di output. Come nelle reti di Petri classiche, i place, con il numero di token contenuti, modellano lo stato del sistema modellato. Le attività si distinduono in istantanee (corrispondenti ad azioni del sistema che completano in un tempo trascurabile) e temporizzate (corrispondenti ad azioni del sistema che hanno una certa durata). Alle attività possono essere associate una o più case probabilities che permetteno di fare evolvere la rete verso diversi comportamenti, subordinati a probabilità. I gate di input e di output eseguono le variazioni di token nei place della rete a seguito del completamento di una attività in modo da far transire il sistema modellato verso uno stato differente dal precedente. Le SAN sono reti stocastiche, caratterizzate da distribuzioni di probabilità che possono essere di varia natura (esponenziale, binomiale, logaritmica, ...).
Dallo studio delle reti SAN è nato un primo abbozzo del modello che è stato poi ulteriormente sviluppato, corretto e completato a seguito dello studio di Möbius. Grazie al tool di modellazione è stato poi possibile eseguire il modello, parametrico per essere il più flessibile possibile, per valutare il protocollo su diversi scenari. Ovviamente i primi scenari sono stati utilizzati per validare il modello prodotto, confrontando i risultati ottenuti con alcune sperimentazioni realizzate nel corso di precedenti tesi ed eseguite su topologie limitate e caratterizzate da un numero ridotto di nodi.
Dai risultati ottenuti è stato possibile da un lato dimostrare che il modello prodotto, oggetto della tesi, è un modello che riproduce fedelmente il protocollo Adaptive B-MAC+, nonchè uno strumento estremamente flessibile che può essere utilizzato per effettuare ad esempio delle prove che precedono l’installazione fisica della rete, avendo la possibilità di effettuare il setup di molti parametri che poi incidono sulle performance globali della rete; dall’altro lato è stato possibile dimostrare che il protocollo B-MAC+ adattivo è un ottimo protocollo, capace di portare ad un effettivo risparmio energetico rispetto a protocolli non adattivi, e caratterizzato da latenze basse.
L’elaborato è così strutturato:
• Il capitolo 1 introduce alcuni concetti fondamentali che riguardano le reti di sensori e si sofferma sul problema del consumo energetico e sull’analisi, seppur breve, di alcuni protocolli MAC precedenti al B-MAC+ adattivo. Lo stesso capitolo chiarisce anche il bisogno di produrre un modello ed introduce gli strumenti utilizzati per fare ciò;
• il capitolo 2 descrive in maniera dettagliata il protocollo B-MAC + adattivo. Vengono estratti gli aspetti più importanti al fine di comprendere la successiva modellazione e indicati quali aspetti sono stati messi in secondo piano perchè ritenuti poco importanti per la realizzazione del modello finale;
• il capitolo 3 introduce brevemente le reti SAN descrivendone gli elementi e le caratteristiche principali ed il modo con cui la rete evolve; parla di Möbius e del processo di creazione di un modello. Möbius mette a disposizione dell’utente diversi formalismi di modellazione e differenti metodi di risoluzione di un modello, ma il capitolo descrive solo il processo di modellazione tramite formalismo SAN e risoluzione tramite simulazione;
• il capitolo 4 descrive in maniera approfondita il modello SAN sviluppato, evidenziandone le potenzialità ed i parametri su cui è possibile operare, insieme alle limitazioni, sia legate al modello stesso, sia legate all’ambiente (inteso come software ed hardware) in cui il modello puà essere eseguito;
• il capitolo 5 presenta le sperimentazioni effettuate e discute i risultati ottenuti;
• il capitolo 6 è il capitolo conclusivo che, oltre a commentare il lavoro svolto, suggerisce eventuali estensioni future e migliorie che possono essere apportate al lavoro svolto in questa tesi.
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