electromagnetic spectrum

Η μορφή ενέργειας που προκύπτει από τον συνδυασμό μαγνητικού και ηλεκτρικού πεδίου, όταν αυτά είναι κάθετα μεταξύ τους, αλλά και κάθετα προς την διεύθυνση διάδοση τους, ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Θεμελιώδες χαρακτηριστικό ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι η συχνότητα του f, η οποία σχετίζεται με το μήκος κύματος λ όπως προκύπτει από την σχέση: 

c = λ*f

όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός (300.000 χλμ / δευτερόλεπτο).

Ως μήκος κύματος ορίζεται η απόσταση που διανύει ένα κύμα σε χρονικό διάστημα περιόδου Τ του ηλεκτρικού σήματος από το οποίο ξεκίνησε

λ=c*T, (f=1/T)

Το εύρος συχνοτήτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ασύρματη επικοινωνία είναι γνωστό ως ασύρματο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (electromagnetic spectrum).

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι επινόηση των επιστημόνων, με σκοπό την διευκόλυνση της μελέτης και της παρατήρησης της συμπεριφοράς των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το φάσμα λοιπόν διαιρέθηκε σε τμήματα ανάλογα με την συχνότητα του κάθε κύματος. 

Τα τμήματα - ζώνες που χρησιμοποιούνται στις ασύρματες επικοινωνίες είναι κυρίως:

• Η ζώνη ραδιοκυμάτων (radiowave band). Κυμαίνεται μεταξύ  0Hz και 300MHz
• Η ζώνη μικροκυμάτων (microwave band). Εκτείνεται από 300Mz έως 300GHz
• Η υπέρυθρη ζώνη (infrared band). Αυτή η περιοχή βρίσκεται πολύ κοντά στις συχνότητες του ορατού φωτός και βρίσκετατι μεταξύ 300GHz και 400THz

Βιβλιογραφία

1. Nicopolitidis, P., Obaidat, M.S., Papadimitriou G.I. & Pomportsis, A.S. (2003). Wireless Networks. USA: Wiley.

Adaptive tree walk

Μια εκδοχή της κλάσης των πρωτοκόλλων του "περιορισμένου ανταγωνισμού" είναι και αυτή του adaptive tree walk. Στην εκδοχή αυτή είναι δόκιμο να απεικονίσουμε τους σταθμούς σε μορφή δυαδικού δένδρου.

 Έτσι όταν ο χρονισμός βρίσκεται στην σχισμή 0 επιτρέπεται σε όλους τους σταθμούς, οι οποίοι έχουν πακέτα προς μετάδοση (βρίσκονται δηλαδή κάτω από τον κόμβο 1) να δοκιμάσουν να καταλάβουν τον δίκτυο. Σε περίπτωση που οι σταθμοί αντιληφθούν σύγκρουση σταματάνε αυτόματα την μετάδοση. Ο χρονισμός μεταβαίνει στην σχισμή 1 και τώρα μόνο οι σταθμοί που βρίσκονται κάτω από τον κόμβο 2 έχουν δικαίωμα να μεταδώσουν. Ομοίως αν υπάρξει σύγκρουση, η μετάδοση όλων των σταθμών σταματά και ο χρονισμός περνάει την σχισμή 2. Τώρα μόνο οι σταθμοί που βρίσκονται κάτω από τον κόμβο 3 έχουν δικαίωμα να μεταδώσουν. Και ούτω καθ' εξής. Στην πραγματικότητα, εάν συμβεί σύγκρουση κατά την διάρκεια της σχισμής 0, τότε ερευνάτε όλο το δένδρο από πάνω προς τα κάτω και από αριστερά προς το δεξιά για τον εντοπισμό των σταθμών που έχουν πακέτα προς μετάδοση.

Βιβλιογραφία

1. Capetanakis, J. I. Tree Algorithms for Packet Broadcast Channels. IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-25, no. 5, Sept. 1979, pp. 505–515.

Limited contention protocols

Τόσο τα πρωτόκολλα ανταγωνισμού, όσο και τα πρωτόκολλα αποφυγής σύγκρουσης έχουν τις δικές τους αδυναμίες. Κάτω από συνθήκες χαμηλής κίνησης τα πρωτόκολλα ανταγωνισμού είναι αποδοτικότερα λόγω της χαμηλής καθυστέρησης που προβλέπουν. Ωστόσο όσο αυξάνεται το φορτίο, τόσο περιορίζεται η αποδοτικότητα εξαιτίας των συγκρούσεων, λόγω ταυτόχρονης μετάδοσης σταθμών. Ακριβώς το αντίθετο ισχύει για τα πρωτόκολλα αποφυγής συγκρούσεων. Σε χαμηλή κίνηση εισαγάγουν υψηλή καθυστέρηση και άρα επιτυγχάνουν χαμηλή αποδοτικότητα, η οποία όμως αυξάνεται σε συνθήκες υψηλής κίνησης.

Ακριβώς αυτές οι διαπιστώσεις έστρεψαν την προσπάθεια στην εκπόνηση αλγορίθμων, οι οποίοι να συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα τόσο των ανταγωνιστικών όσο και των πρωτοκόλλων αποφυγής συγκρούσεων. Αποτέλεσμα της προσπάθειας αυτής είναι η δημιουργία των πρωτοκόλλων "περιορισμένου ανταγωνισμού" (limited contention protocols). 

Σε γενικές γραμμές τα πρωτόκολλα αυτά κατανέμουν τους σταθμούς σε ομάδες. Επίσης θεσπίζονται χρονικές σχισμές (τόσες όσες οι ομάδες των σταθμών). Κατά την διάρκεια της σχισμής 0 μόνο οι σταθμοί της ομάδας 0 έχουν δικαίωμα να μεταδώσουν. Αν κάποιος απ' αυτούς επιτύχει, αποκτά τον δίαυλο και μεταδίδει το πλαίσιο του. Αν η σχισμή μείνει αχρησιμοποίητη ή συμβεί κάποια σύγκρουση, τότε τα μέλη της επόμενης ομάδας ανταγωνίζονται για την αντίστοιχη σχισμή και ούτω καθ' εξής. 

Βιβλιογραφία

1. Tanenbaum A.;(2000);Δίκτυα υπολογιστών; Εκδόσεις Παπασωτηρίου; pp316-318
2. Wilbur S.;();Networks and distributed systems; Software Engineer's Reference Book; pp 53/7

Binary Countdown

Ο αλγόριθμος υλοποίησης του πρωτοκόλλου "δυαδικής αντίστροφης μέτρησης" - binary countdown προβλέπει ότι κάθε σταθμός σε ένα δίκτυο αντιστοιχίζεται σε μιας δυαδικής μορφής διεύθυνση ίδιου μήκους (ίδιο πλήθος δυαδικών ψηφίων). 

Όταν ένας σταθμός θέλει να χρησιμοποιήσει το δίαυλο, κοινοποιεί την δυαδική διεύθυνση του.
Για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις κάθε σταθμός εκτελεί ένα  boolean OR με τις διευθύνσεις των άλλων υποψηφίων προς μετάδοση σταθμών. Εάν κάποιο από τα bit της διεύθυνσης του από 0 υπολογιστεί σε 1, τότε σταματάει την μετάδοση και παραχωρεί προτεραιότητα.

Η απόδοση του διαύλου με την μέθοδο αυτή είναι d/(d+lnN)

Βιβλιογραφία

1. Ibnkahla M.;(2009);Adaptive signal processing in wireless communtications; CRC Press; pp63-64
2. Abichar Z.,Chang M.;(2005);Constant-Time Contention Resolution for WLAN Access

Basic bit-map method

To πρωτόκολλο με αντιστοιχίες bit (Basic bit-map method), είναι ένα πρωτόκολλο χωρίς συγκρούσεις. Η λογική που υλοποιεί το πρωτόκολλο προβλέπει την ύπαρξη Ν τον αριθμό σχισμών. Το Ν ισούται με τον πλήθος των σταθμών που είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο δίκτυο. Όταν ο i σταθμός έχει ένα πλαίσιο προς μετάδοση, τότε κατά την περίοδο του ανταγωνισμού τοποθετεί το 1 bit στην i σχισμή που του αναλογεί κατά την διάρκεια της οποίας κανείς άλλος σταθμός δεν επιτρέπεται να μεταδώσει. Έτσι όταν ολοκληρωθεί ένα τέτοιος κύκλος είναι γνωστό ποιοι σταθμοί είναι έτοιμοι να μεταδώσουν (έχουν τοποθετήσει το 1 bit στην σχισμή τους). Στο σημείο αυτό λοιπόν, οι σταθμοί αρχίζουν να μεταδίδουν με αριθμητική σειρά. Κατ' αυτόν τον τρόπο είναι γνωστό σε όλους τους σταθμούς ποιος δικαιούται να μεταδώσει πλαίσια και άρα δεν συμβαίνουν ποτέ συγκρούσεις. 

Όταν και ο τελευταίος σταθμός έχει μεταδώσει το πλαίσιο του, αρχίζει μια νέα περίοδο ανταγωνισμού.

Γενικά, πρωτόκολλα που αρχικά κοινοποιούν την επιθυμία τους και στην συνέχεια  μεταδίδουν πλαίσια ονομάζονται πρωτόκολλα κράτησης (reservation protocols).

Βιβλιογραφία

1. Tanenbaum A.;(2000); Δίκτυα υπολογιστών΄Εκδόσεις Παπασωτηρίου

Carrier sense protocols

Όταν οι σταθμοί "ακούν" για να αντιληφθούν αν μια μετάδοση λαμβάνει χώρα ή όχι λέμε ότι χρησιμοποιούν πρωτόκολλα με ανίχνευση φέροντος (carrier sense protocols). Σύμφωνα λοιπόν με τα πρωτόκολλα της κατηγορίας αυτής, όταν ένας σταθμός έχει να μεταδώσει ένα πακέτο (πλαίσιο δεδομένων) αρχικά ανιχνεύει το μέσο. Εφόσον το μέσο είναι ελεύθερο (δεν υπάρχει δηλαδή τάση στο φέρον)  ο σταθμός αντιλαμβάνεται ότι δεν υπάρχει κίνηση και προχωράει στην μετάδοση του πακέτου (frame), διαφορετικά αναστέλλει την μετάδοση αυτή μέχρι η τρέχουσα μετάδοση να ολοκληρωθεί.

Έχουν προταθεί αρκετές εκδοχές πρωτοκόλλων με ανίχνευση φέροντος, μεταξύ αυτών το 1-persistent CSMA (Carrier Sense Multiplie Access), το non-persistent CSMA, το p-persistent CSMA κλπ.

Τα CSMA πρωτόκολλα είναι σαφώς βελτιωμένα ως προς το ALOHA διότι καταφέρνουν να αποφύγουν μεγάλο μέρος των συγκρούσεων και άρα προσφέρουν αποδοτικότερη διαχείριση του εύρους ζώνης. Ωστόσο οι συγκρούσεις δεν εξαλείφονται παντελώς, καθώς υπάρχει πάντα η πιθανότητα δύο ή περισσότεροι σταθμοί, ταυτόχρονα να αποφανθούν ότι το φέρον είναι ελεύθερο και ταυτόχρονα να ξεκινήσουν την μετάδοση. 

Αν υποθέσουμε λοιπόν ότι δύο σταθμοί έχουν να μεταδώσουν πακέτα (frames) και αναγνωρίζουν αρχικά το κανάλι ως κατειλημμένο. Τότε σύμφωνα με τα παραπάνω, ακούν το κανάλι και αμέσως μόλις ελευθερωθεί, ξεκινάνε την μετάδοση. Προφανώς στην περίπτωση αυτή θα έχουμε ταυτόχρονη μετάδοση και άρα σύγκρουση. Στην εκδοχή αυτή, που την ονομάζουμε 1-persistent, οι σταθμοί αναγνωρίζουν άμεσα την σύγκρουση και σταματάνε ακαριαία την μετάδοση. Ο κάθε σταθμός μπαίνει σε κατάσταση αναμονής για μια τυχαία (random) χρονική περίοδο, μετά το πέρας της οποίας επαναλαμβάνει τον αλγόριθμο.  

Για να βελτιωθεί η απόδοση του 1-persistent πρωτοκόλλου σχεδιάστηκε το non-persistent. Η διαφορά είναι ότι εφόσον ο δίαυλος αναγνωριστεί ως κατειλημμένος, ο σταθμός δεν τον ανιχνεύει συνέχεια με σκοπόν να τον καταλάβει αμέσως μόλις ελευθερωθεί, αλλά εισαγάγει μια τυχαία χρονοκαθυστέρηση πριν αφουγκραστεί εκ νέου το φέρον.

Τέλος το p-persistent πρωτόκολλο εισήγαγε την μετάδοση σε σχισμές (slots). Έτσι όταν ένα σταθμός θέλει να μεταδώσει αφουγκράζεται τον δίαυλο. Εάν είναι ελεύθερος τότε μεταδίδει με πιθανότητα p. Με πιθανότητα q=1-p καθυστερεί μέχρι το επόμενο slot. Εάν το slot είναι ελεύθερο, ο σταθμός ξεκινάει την μετάδοση ή καθυστερεί πάλι με πιθανότητες p και q. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι να μεταδοθεί το πακέτο ή να αρχίσει να μεταδίδει ένα άλλος σταθμός, οπότε και ενεργεί σαν να έχει συμβεί σύγκρουση - εισαγάγει δηλαδή χρονοκαθυστερήσεις.

Βιβλιογραφία

1. Μ.Ε.Θεολόγου.Δίκτυα κινητών και προσωπικών επικοινωνιών.Εκδόσεις Τζιόλα
2. Tanenbaum A.; Δίκτυα υπολογιστών. Εκδόσεις Παπασωτηρίου

ALOHA Network

Το πρωτόκολλο ALOHA ήταν το πρώτο πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης και βασίζεται στην κοινή χρήση ενός καναλιού μετάδοσης. Χαρακτηριστικό του είναι ότι δίνει πρόσβαση σε ένα κανάλι σε όλους τους κόμβους σε τυχαίες χρονικές στιγμές. Το πρωτόκολλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί πάνω από ομοαξονικό καλώδιο, συνεστραμμένα ζεύγη καλωδίων ή οπτικές ίνες. Θεωρείτε δε προπομπός του Ethernet.

Η λειτουργία του πρωτοκόλλου συνοπτικά είναι η ακόλουθη. Οι κόμβοι εκπέμπουν και "ακούνε" σε ένα κοινό κανάλι. Τα πακέτα που μεταδίδουν έχουν σταθερό μήκος. Στο κανάλι αυτό υπάρχει ένας κεντρικός κόμβος, ο οποίος συγκεντρώνει όλα τα πακέτα που μεταδόθηκαν. Σε περίπτωση ταυτόχρονης μετάδοσης πακέτων από περισσότερους τους ενός κόμβους που είναι συνδεδεμένοι στο κοινό κανάλι, όπως είναι αναμενόμενο λόγω της σύγκρουσης τα πακέτα παραμορφώνονται. Έτσι ο κεντρικός κόμβος αναλαμβάνει να επιβεβαιώσει τα πακέτα που λαμβάνει και να καθορίσει πια από αυτά είναι σωστά - μη παραμορφωμένα. Όταν ο κόμβος που μετάδωσε δεν λάβει μήνυμα επιβεβαίωσης από τον κεντρικό κόμβο εντός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος  θεωρεί ότι το πακέτο έχει καταστραφεί και προγραμματίζει επανάληψη της μετάδοσης του πακέτου που χάθηκε σε τυχαίο χρόνο.

Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του πρωτοκόλλου pure Aloha είναι η απλή και πλήρως αποκεντρωμένη αρχιτεκτονική του (σημαντικό στοιχείο για τα ad hoc δίκτυα). Το μειονέκτημά του είναι ότι όσο αυξάνεται ο αριθμός των κόμβων τόσο περισσότερες είναι οι συγκρούσεις των εκπομπών με αποτέλεσμα να χάνεται σημαντικό μέρος του εύρους ζώνης λόγω της επανεκπομπής των απολεσθέντων πακέτων. Έτσι, μειώνεται δραματικά η απόδοση του δικτύου. 

Μια παραλλαγή του Aloha είναι το slotted Aloha στο οποίο οι κόμβοι συγχρονίζουν τις εκπομπές τους και εκπέμπουν μόνο στην αρχή μιας χρονικής θυρίδας. 

Τόσο στο slotted όσο και στο pure Αloha, η απόφαση ενός κόμβου να εκπέμπψει ένα πακέτο λαμβάνεται ανεξάρτητα από τη δραστηριότητα των άλλων κόμβων που βρίσκονται στο ίδιο κανάλι εκπομπής. Κάθε κόμβος που θέλει να εκπέμπψει, “ακούει” πρώτα το κανάλι εξετάζοντας αν κάποιος άλλος κόμβος εκπέμπει εκείνη τη στιγμή. Αν όχι, προχωρά στην εκπομπή του πακέτου αλλιώς περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και επαναλαμβάνει την παραπάνω διαδικασία

Το πλεονέκτημα της slotted Aloha εκδοχής, είναι ότι η μέγιστη απόδοση που μπορεί να επιτευχθεί είναι η διπλάσια από το pure Aloha. Το μειονέκτημα είναι ότι το  slotted Aloha υλοποιείται πιο δύσκολα επειδή απαιτείται οι κόμβοι να έχουν πρόσβαση σε κοινή χρονική αναφορά, δηλαδή ένα κοινό ρολόι, για προσδιορισμό της αρχής των χρονικών στιγμών.

Βιβλιογραφία

1. Stallings (1990); "The business guide to local area networks.; Howard W.Sams & Company
2. Warland J. (1997); Δίκτυα επικοινωνιών; Εκδόσεις Παπασωτηρίου