ITUB20155063A1

ITUB20155063A1 - ?metodo e dispositivo per selezionare dinamicamente ed in modo autonomo nel tempo, la migliore soluzione da usare per la comunicazione fra i diversi nodi di una rete di sensori sottomarina, al fine di adattarsi automaticamente alle condizioni mutevoli dell?ambiente sottomarino?

Info

Publication number: ITUB20155063A1
Application number: ITUB2015A005063A
Authority: IT
Inventors: Chiara Petrioli; Presti Francesco Lo; Valerio Valerio Di; Daniele Spaccini; Luigi Picari
Original assignee: Univ Degli Studi Di Roma La Sapienza Roma
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-04-16
Also published as: WO2017064660A1; EP3363183B1; PL3363183T3; EP3363183A1; US10659570B2; ES2835925T3; DK3363183T3; PT3363183T; US20180302504A1

Description

"METODO E DISPOSITIVO PER SELEZIONARE DINAMICAMENTE ED IN MODO AUTONOMO NEL TEMPO, LA MIGLIORE SOLUZIONE DA USARE PER LA COMUNICAZIONE FRA I DIVERSI NODI DI UNA RETE DI SENSORI SOTTOMARINA, AL FINE DI ADATTARSI AUTOMATICAMENTE ALLE CONDIZIONI MUTEVOLI DELL'AMBIENTE SOTTOMARINO"

DESCRIZIONE

Campo dell'invenzione

Il presente trovato riguarda il settore delle comunicazioni in ambiente sottomarino e più in particolare un metodo ed un dispositivo che consente ad una rete di sensori sottomarini, dotati di uno o più apparati di comunicazione che operano con diverse pile protocollari (con pila protocollare si intende la struttura a livelli tipica di ciascun protocollo) di fornire prestazioni consistenti al variare delle condizioni operative in cui la rete può trovarsi ad operare. Ciò è ottenuto fornendo un metodo ed un dispositivo per la sua attuazione per selezionare dinamicamente, ed in modo autonomo nel tempo, la migliore soluzione da usare per la comunicazione fra i diversi nodi della rete, al fine di adattarsi autonomamente alle condizioni sempre diverse e mutevoli dell'ambiente sottomarino.

Stato dell'arte

L'impiego di reti di sensori sottomarine (Underwater Wireless Sensor Networks - UWSNs) rende possibile una grande varietà di applicazioni quali, fra l'altro, il monitoraggio ambientale, il monitoraggio delle infrastrutture critiche e delle piattaforme offshore, la sorveglianza dei porti e delle coste. Una rete di sensori sottomarina è composta da un insieme di nodi, opportunamente posizionati a coprire l'area di interesse e collocati a diverse profondità, alcuni dei quali possono essere veicoli autonomi mobili. Ciascun nodo è equipaggiato con dei sensori ed uno o più apparati di comunicazione . I nodi collezionano dati dall'ambiente circostante che, dopo una elaborazione locale, vengono inviati a uno o più nodi collettori che immagazzinano/trattano/trasportano i dati altrove in base al tipo di applicazione. Lo scambio dei dati può anche riguardare 1'invio di comandi o informazioni sullo stato dei dispositivi.

La realizzazione di una rete di comunicazione tra nodi richiede la soluzione delle diverse problematiche che caratterizzano la comunicazione in ambiente sottomarino . In primis, dati i limiti imposti dall'ambiente subacqueo all'impiego delle onde elettromagnetiche (fortemente attenuate in acqua), la comunicazione è ad oggi tipicamente realizzata tramite onde acustiche, il che implica forti ritardi di propagazione (dell'ordine dei secondi) e limitata banda trasmissiva (pochi Kbit/s), Inoltre, come ampiamente verificato dalle molteplici campagne sperimentali, è presente una rilevante eterogeneità, variabilità della qualità e asimmetria dei canali di comunicazione tra i nodi, con caratteristiche trasmissive fortemente dipendenti da diverse condizioni quali profondità, temperatura, salinità, profilo del fondale, condizione del vento in superficie, rumore prodotto ad esempio da imbarcazioni di passaggio etc., condizioni che sono inoltre soggette a variazioni spesso imprevedibili nel tempo, anche nell'arco di brevi periodi.

Ad oggi, diverse soluzioni protocollari (livello 1 di strato fisico, livello 2 di collegamento e livello 3 di rete) sono state proposte in letteratura al fine di ottimizzare le prestazioni di una rete di sensori sottomarina che, in misura diversa, sono riconducibili a:

- indici di prestazione legati al ritardo di rete (tempo richiesto perché un pacchetto raggiunga il nodo collettore) ;

- indici di prestazione legati al successo della trasmissione (probabilità che un pacchetto arrivi al nodo collettore) ;

- indici di prestazione legati al consumo energetico (energia consumata dalla rete per unità dati che raggiunge il nodo collettore).

Le diverse soluzioni si differenziano per la politica di instradamento adottata (routing del livello 3 della pila), 1'impiego di una politica per garantire l'affidabilità (comunicazione affidabile al livello 2 della pila) così come la politica di accesso al mezzo (protocollo di accesso al mezzo (Medium Access Control - MAC, del livello 2 della pila) e la scelta della frequenza di trasmissione, modulazione e codifica ed eventualmente il livello di potenza impiegato in trasmissione (livello 1) [PPel3, AzCal4 , NgShO 8, TaWelO, SyYe07, PeSt07, ChSo07, NgSol3, NgSoQ 8, ZhQil4, ChSoOS, GuFr09, PPe08, SyYe07 ,MoStO6, HaNol3,NoLel4 ].

Tuttavia come anche mostrato dalle diverse campagne sperimentali eseguite nel recente passato, non ci sono attualmente soluzioni in grado di fornire prestazioni consistenti al variare delle condizioni operative in cui la rete può trovarsi ad operare. Soluzioni di rete che forniscono buone prestazioni in certi scenari, forniscono scarse prestazioni in altri. Per questo motivo alcuni modem commerciali supportano più pile protocollari, e stanno emergendo dispositivi dotati di più apparati di comunicazione (ad esempio più modem prodotti da diverse ditte operanti sulle stesse bande trasmissive o diverse bande trasmissive).

Compito del presente trovato è quello di fornire una procedura, ed i mezzi per attuarla, che consenta ad un sistema dispiegato dotato di dispositivi di comunicazione che operano con diverse pile protocollari (e che in particolare usano diverse soluzioni al livello 1 e 2 di tali pile) di selezionare dinamicamente ed in modo autonomo nel tempo la "migliore configurazione" (migliore soluzione da usare per la comunicazione) ovvero la configurazione che risponde al meglio alle specifiche utente, essendo in grado di adattarsi autonomamente e dinamicamente ed in modo efficace alle condizioni sempre diverse e mutevoli dell'ambiente sottomarino.

L'ottimizzazione del sistema viene effettuata in modo da rispondere al meglio a criteri di importanza delle diverse metriche prestazionali specificate, per il dato stato in cui si trova il sistema, a priori o periodicamente, dall'utente.

La soluzione proposta si basa sulla capacità di stimare e apprendere lo stato della rete. L'idea inventiva è di demandare alla rete stessa, sotto il coordinamento da parte dello stesso nodo collettore, il compito di determinare/cambiare dinamicamente la pila dei protocolli di rete utilizzati a livello due (e possibilmente uno) al fine di ottimizzare le prestazioni di interesse. A tale scopo detto nodo è dotato di capacità di elaborazione e di batterie ed è connesso tramite connettori standard a più modem, alcuni dei quali sono dotati di più pile protocollari.

La descrizione dell'invenzione sarà meglio compresa facendo riferimento alle allegate tavole di disegni che ne rappresentano, a solo titolo di esempio non limitativo, una preferita forma di realizzazione .

Nelle tavole:

la fig. 1 mostra un nodo sensore modulare secondo il trovato in una sua forma di attuazione esemplificativa;

La fig. 2 mostra uno schema esemplificativo del sistema con il modulo connesso a più dispositivi di comunicazione mediante connettori standard;

la fig. 3 riporta i moduli del selettore dei protocolli;

la fig. 4 mostra il flusso di esecuzione del componente selettore dei protocolli ;

la fig. 5 mostra i protocolli selezionati dal selettore dei protocolli nel tempo (la barra verticale rappresenta l'istante di tempo nel quale il livello di carico della rete cambia) nel caso di ottimizzazione del parametro PDR (packet delivery ratio, cioè il rapporto del numero di pacchetti dati che sono stati ricevuti rispetto a quelli inviati; la fig. 6 mostra i protocolli selezionati dal selettore dei protocolli nel tempo (la barra verticale rappresenta l'istante di tempo nel quale il livello di carico della rete cambia) nel caso di ottimizzazione dell'energia per bit;

la fig. 7 mostra i protocolli selezionati dal selettore dei protocolli nel tempo (la barra verticale rappresenta l'istante di tempo nel quale il livello di carico della rete cambia) nel caso di ottimizzazione della latenza;

la fig. 8 mostra i protocolli selezionati dal selettore dei protocolli nel tempo (la barra verticale rappresenta l'istante nel quale la dimensione dei pacchetti cambia) nel caso di ottimizzazione del parametro POR (packet delivery ratio);

la fig, 9 mostra i protocolli selezionati dal selettore dei protocolli nel tempo (la barra verticale rappresenta l'istante di tempo nel quale la dimensione dei pacchetti cambia) nel caso di ottimizzazione dell'energia per bit;

la fig. 10 mostra i protocolli selezionati dal selettore dei protocolli nel tempo (la barra verticale rappresenta l'istante di tempo nel quale la dimensione dei pacchetti cambia) nel caso di ottimizzazione della latenza.

In figura 1 viene schematizzata 1'implementazione del trovato, e viene riportata una foto della realizzazione HW/SW del trovato da parte degli inventori.

Esso comprende almeno un contenitore cilindrico nel cui interno è disposto il pacco batterie ed il componente software per la scelta delle pile protocollari.

Il dispositivo, dotato di capacità di elaborazione e di batterie, è interconnesso tramite connettori standard ad uno o più modem, alcuni dei quali possono essere dotati di più pile protocollari. Dinamicamente, mediante 1'interazione con i modem, l'analisi dei dati raccolti e la stima dello stato della rete e del canale, il dispositivo seleziona ed utilizza il miglior modem e la migliore pila protocollare per la comunicazione.

I modem commerciali a disposizione usano spesso soluzioni proprietarie ai livelli 1 e 2 della pila protocollare. Quindi una caratteristica importante della soluzione sviluppata è quella di essere in grado di prendere decisioni anche non avendo sotto controllo/non conoscendo la logica algoritmica della soluzione adottata nel dispositivo commerciale, anche scegliendo il miglior dispositivo commerciale da attivare per la comunicazione in un determinato momento.

Nonostante siano state proposte soluzioni adattative nello stato dell'arte soprattutto relative all'istradamento dei pacchetti, in grado di variare il loro comportamento al variare di alcuni parametri, non esiste ad oggi una soluzione che permetta alla rete di sensori di scegliere dinamicamente ed automaticamente tra diverse pile protocollari la migliore da attivare per soddisfare i requisiti utente, anche senza sapere la logica di funzionamento dei protocolli della pila.

Questa capacità è quella che serve volendo sviluppare soluzioni che consentano l'ottimizzazione di sistemi reali realizzati con dispositivi di comunicazione commerciali, possibilmente multivendor.

DESCRIZIONE PARTICOLAREGGIATA DELL'INVENZIONE

Il trovato consiste in un metodo - altrimenti detto selettore dei protocolli - ed i mezzi per la sua attuazione, che consente, in una rete di sensori sottomarina, di effettuare misure, determinare in modo autonomo e cambiare dinamicamente la pila dei protocolli di rete, al fine di ottimizzare le prestazioni dell'applicazione supportata (in termini di ritardo di rete, frazione dei pacchetti consegnati, energia consumata, etc. e/o una loro combinazione) .

Si assume che ogni nodo di rete sia equipaggiato con più pile di protocolli di rete pltp2f~fpn. Ciascun protocollo può corrispondere ad un diverso apparato hardware o più semplicemente ad una diversa configurazione di uno stesso apparato.

Il trovato consiste in un nuovo componente detto Selettore dei protocolli, che misura, valuta e coordina 1'attivazione ed il cambio a tempo di esecuzione della pila di protocolli p±, in esecuzione nella rete di sensori, con particolare riferimento ai primi due livelli della pila protocollare ovvero ai protocolli in esecuzione a livello di link.

Si considerino i moduli del Selettore dei protocolli riportati in Figura 2.

Secondo il trovato, tale componente software si compone dei seguenti moduli:

• Monitor dei pacchetti (modulo A): è responsabile di analizzare i pacchetti ricevuti dal nodo collettore per estrarre tutte quelle informazioni necessarie per (i) valutare le prestazioni del protocollo corrente e (ii) individuare eventuali cambiamenti nel sistema (step 2, 5 del diagramma di flusso);

• Analizzatore dati (modulo B): è responsabile di analizzare i dati raccolti per individuare eventuali cambiamenti nel sistema. I cambiamenti possono riguardare un diverso traffico nella rete, una variazione nella qualità del canale acustico, oppure un cambio nella dimensione dei pacchetti scambiati dai nodi (step 3, 4, 9 del diagramma di flusso);

• Misuratore delle prestazioni (modulo C); è responsabile di calcolare le prestazioni della pila protocollare attualmente in uso (step 6 del diagramma di flusso);

• Ottimizzatore (modulo D) : è il cuore del Selettore dei protocolli. Il suo compito è quello di eseguire 1'algoritmo di learning [SuBa98], per imparare quale sia la pila di protocolli ottimale per ogni stato del sistema. Per far ciò, utilizza i risultati prodotti dal Misuratore delle prestazioni A (step 7, 8 e 10 del diagramma di flusso);

• Gestore cambio protocolli, (modulo E): è responsabile di gestire il cambio di protocollo nella rete, senza interromperne l'operatività (step 11 del diagramma di flusso).

Il flusso di esecuzione segue di norma un ciclo di Monitoraggio - Analisi - Pianificazione - Esecuzione (Monitor-Analyse-Plan-Execute MAPE) [KeCh03] (parte delimitata dalla linea continua in Figura 4); il selettore dei protocolli esegue il monitoraggio dello stato della rete e raccoglie i dati sulle prestazioni della rete (step 2); ad intervalli periodici si valutano le prestazioni del protocollo nell'ultimo intervallo (step 6) e si esegue un passo dell'algoritmo di reinforcement learning (step 7) [SuBa98] al termine del quale si valuta se cambiare o meno il protocollo per il prossimo intervallo (step 8) per poi iniziare un nuovo ciclo di monitoraggio.

Il flusso di esecuzione viene interrotto se si rileva un cambio di stato nel sistema (step 4). In questo caso si eseguono i passi delimitati dalla linea tratteggiata in Figura 4): si identifica il nuovo stato (step 9) e la pila di protocolli più adeguata al nuovo stato e si procede al cambio di pila di protocolli (step 10) per poi riprendere il flusso di esecuzione principale.

Dettagli del flusso di esecuzione

Step 2. Il selettore dei protocolli, componente software oggetto del trovato, caratterizza lo stato operativo del sistema da una tripla di valori che riassumono le condizione della rete in un dato istante e che viene definito come stato della rete: rapporto segnale /rumore medio q$r,r, carico di rete λ e dimensione media dei pacchetti pSize- Se denotiamo con s lo stato della rete, possiamo scrivere s= (Πλ, qsnr, Psize)- Al fine di eseguire il monitoraggio dello stato della rete, le intestazioni dei pacchetti di rete sono estese in modo da includere le informazioni necessarie. In particolare, ad ogni pacchetto k trasmesso, il nodo j aggiunge il campo intestazione HDPRE={pk<J>,t<J>tx,tk<J>), dove pkè un identificatore progressivo dei pacchetti inviati da parte del nodo k, t<J>txè il tempo totale di trasmissione del nodo j nel corrente round e t<J>kil timestamp del pacchetto.

Step 3-4-5. Il modulo di analisi dei dati è responsabile del rilevamento di cambiamenti, anche significativi, dello stato della rete. A tal fine, per ognuno delle tre componenti dello stato (rapporto segnale/rumore medio, carico di rete, dimensione media dei pacchetti) si adotta un algoritmo di change detection di tipo adattivo della famiglia del CUSUM [M0O8,CaTol2] combinato con un filtro passo basso (media esponenziale pesata, EWMA) per il monitoraggio della media dei valori.

Step 9-10-11. Se il sistema non rileva cambiamenti dello stato, si prosegue nella collezione dei dati fino all'eventuale completamento del corrente intervallo di valutazione. Se invece lo stato è cambiato, si interrompe la collezione di dati, si rileva il nuovo stato e si sceglie la migliore pila protocollare per le nuove condizioni (i dettagli sono riportati successivamente). Completato il cambiamento di stato viene iniziato un nuovo intervallo di collezione di statistiche relative al nuovo stato. Step 6, Al termine di un intervallo di valutazione iesimo vengono prima analizzate le prestazioni del protocollo in termini di frazione dei pacchetti consegnati ritenergia consumata e±e ritardo di rete li nell'intervallo appena concluso. Questi valori vengono calcolati secondo le seguenti formule a partire dalle informazioni contenute nel campo HDPRE dei pacchetti:

Σ; Ρ rΓcΙ v

∑; Ps,nt

∑;∑fc ;

fe

h =

∑} Pr,cv

J

∑A tx

8 L '∑7Prcv

dove p^jè il numero di pacchetti inviati dal nodo j durante 1'intervallo di valutazione appena conclusosi (e che si può calcolare a partire dall'intestazione HDPRE come vint— max3⁄4p3⁄4-minfepk+ l/Vrcv è il numero di pacchetti ricevuto dal nodo j nello stesso intervallo), lk<J>la latenza del pacchetto k, che si ottiene dalla differenza tra l'istante di ricezione e il timestamp t<J>kdel pacchetto e L la lunghezza media di un pacchetto in byte.

A partire dagli indici r±, 1± ed ei, si calcola poi un unico indice scalare aggregato c± che tiene conto dei diversi indici di prestazione, opportunamente normalizzati e pesati secondo le esigenze dell'applicazione:

Ci= wr<■>fi+ we<■>è[+ Wj<■>li

dove f[, èje l[rappresentano i valori normalizzati nell'intervallo [0,1] della frazione di pacchetti consegnati, dell'energia per bit e del ritardo di rete, rispettivamente, calcolati secondo la seguente formula:

Tj-min rm

maxrm—minr tnaxrm≠ min rTn m

1 rnaxrm= rnin rm

max em—Cj

maxem≠ min em

max em— min em

1 max em- min em

e {max lm— li

-;- - maxlm≠ min lm

max lm- min lm

1 maxlm= min lm

dove i valori minini e massimi possono essere precalcolati tramite simulazioni, stimati o basati sull'esperienza. I pesi non negativi, wr, w<=e wlfwr+ we+ Wi = 1,forniscono il peso relativo delle diverse metriche alle prestazioni e dipendono dall'applicazione (ad esempio se si vuole solamente minimizzare il ritardo di rete è sufficiente impiegare wi=l, ponendo gli altri pesi uguali a zero. Se affidabilità delle comunicazione e consumo energetico hanno lo stesso peso mentre il ritardo non è rilevante, si può impostare wr= we- 0.5,Wj= 0.

Step 7. Fase di Learning: Si aggiornano le statistiche delle prestazioni del protocollo p±relativamente allo stato corrente del sistema s~(λ, qsnrtPsize) impiegato nell'ultimo intervallo, ricalcolando il valore medio tenendo conto dell'indice aggregato Ci appena calcolato

∑m=i<c>m<1>{p c(s,pt)m=pj,sllI=sì

∑m=i<1>{μ„ι=μίΛη=ϊ}

Step 8-10. Successivamente si valuta quale pila protocollare usare nel prossimo intervallo, intervallo 1+1 con il sistema nello stato s. La soluzione proposta si basa su una tecnica matematica generale di reinforcement learning ε-greedy nota come n-armed bandit [SuBa98]. Seguendo tale algoritmo, la scelta ricade sulla pila protocollare che ha garantito il miglior livello di prestazioni per lo stato corrente (comportamente noto come exploitation - ovvero sfruttamento della conoscenza acquisita -nella letteratura del reinforcement learning); tuttavia, con una piccola probabilità ε, e.g., ε=0.01 o ε=0.05, la pila viene selezionata in modo casuale (comportamento noto come exploration, ovvero di esplorazione). Quest'ultima scelta, fra l'altro, permette al selettore dei protocolli di adattarsi nel caso di comportamento non stazionario dell'ambiente circostante fornendo al sistema la capacità di adattarsi dinamicamente. Lo pseudocodice è riportato di seguito.

# variabile proto indica lo stack protocollare da usare

rnd=un valore random tra 0 e 1;

if rnd<£

prorompila protocollare scelto a caso

else

proto= argmaxfe=1 nc(s,pk)

endif

Risultati sperimentali

Per dare evidenza dei vantaggi dell'invenzione, si illustrano dei risultati sperimentali ottenuti tramite simulazione. Negli esperimenti si è simulato il funzionamento di una rete di monitoraggio ambientale con configurazione single-hop (ovvero dove tutti i nodi possono comunicare direttamente con il nodo collettore) con 7 nodi (6 nodi più il collettore) posizionati casualmente in una regione di 2Km<2>di superficie e a differenti profondità, da 10 a 50 metri corrispondente all'ambiente al largo delle coste dell'isola di Palmaria (La Spezia, Italia). Tutte le informazioni necessarie alla simulazione sono state ottenute dal World Ocean Database<1>, dal General Bathymetric Chart of thè Oceans<2>(GEBCO) e dal National Geophysical Data Center Deck41 database<3>, rispettivamente.

Nella rete, i nodi trasmettono periodicamente al nodo collettore i valori monitorati ogni λχ = 0.033 pacchetti al secondo. Ogni volta che occorre un evento, come per esempio il superamento di un predeterminato valore di soglia da parte di uno dei parametri sotto osservazione, i nodi cominciano a trasmettere costantemente dati a un tasso fissato pari a λ2= 0.05 pacchetti al secondo. Quando il valore torna al di sotto della soglia critica, i nodi tornano a trasmettere in accordo a λχ pacchetti al secondo. Anche la dimensione del pacchetto può cambiare, indipendentemente dal traffico, e lo fa nell' insieme {128, 2000} byte.

Negli esperimenti, si assume che ogni nodo sia equipaggiato con tre diverse pile protocollari che si differenziano per il protocollo di accesso al mezzo (MAC) del livello di collegamento . In particolare, si si considerano: il ben noto protocollo CSMA [TaWelO]; il protocollo T-Lohi [SyYe08], che fa uso di negoziazione per la prenotazione del canale realizzata tramite un piccolo pacchetto di controllo (chiamato tono); il protocollo DACAP [PeSt07], che usa una negoziazione (handshake) basata sull'impiego di pacchetti di controllo RTS/CTS per la prenotazione del canale, al quale sono stati aggiunti degli ulteriori pacchetti di controllo. L'obiettivo è di mostrare l'abilità del selettore dei protocolli nell' adattare dinamicamente la configurazione del livello di collegamento impiegando di volta in volta il miglior protocollo MAC per ogni condizione della rete .

Le prestazioni dei protocolli nel consegnare dati al nodo collettore sono stati valutati utilizzando le seguenti metriche di prestazione:

• Packet delivery ratio (PDR) al nodo collettore, definito come la frazione dei pacchetti correttamente ricevuti dal nodo collettore a fronte di tutti i pacchetti generati dai nodi.

• Latenza £nd-to-end, definita come il tempo che intercorre tra la generazione del pacchetto e la sua corretta ricezione al nodo collettore.

• Energia per bit, definita come l'energia consumata nella rete per consegnare un bit di dati al nodo collettore.

Risultati Sperimentali - Comportamento dei singoli protocolli

Inizialmente sono state valutate le prestazioni dei protocolli CSMA, T-Lohi e DACAP, in diverse configurazioni di rete. I risultati ottenuti sono mostrati nella Tabella 1, per diversi valori di traffico nella rete, λχ= 0.033 and λ2= 0,05, e dimensione del pacchetto, 128B e 2000B.

U OM CSMA

Ό.Τ* i ;J.* ì

U/é

Tabella 1. Risultati simulativi ottenuti con i singoli protocolli.

Come è possibile notare, nessun protocollo si dimostra superiore agli altri in tutte le configurazioni; infatti, al variare della metrica di prestazione considerata, traffico nella rete e dimensione del pacchetto le prestazioni migliori sono garantite da protocolli diversi. Ad esempio, quando il carico considerato è pari a (λχ=0.033) la dimensione del pacchetto è pari a 128B, il CSMA garantisce bassi valori di latenza e consumo energetico, ma al prezzo di bassi valori del PDR; al contempo, T-Lohi e DACAP garantiscono un PDR più alto ma a spese di una maggiore latenza e di un maggiore consumo energetico. Al crescere del traffico (λ2= 0.05) tutti i protocolli hanno lo stesso PDR, pari al 100%, ma è sempre il CSMA a garantire le prestazioni migliori in termini di latenza e consumo energetico.

Il comportamento dei diversi protocolli cambia in modo significativo se si considera invece una dimensione del pacchetto pari a 2000B, che comporta tempi di trasmissione più lunghi e quindi maggiore probabilità di collisione. Il protocollo DACAP in queste condizioni ha un miglior PDR, grazie all'impiego di pacchetti di controllo RTS/CTS che consentono di riservare il canale di comunicazione prima della trasmissione vera e propria dei dati ma al costo di una maggiore latenza e di un maggiore consumo energetico. Il protocollo T-Lohi è caratterizzato un buon compromesso tra consumo energetico e PDR. Il protocollo CSMA garantisce ancora il ritardo minore ma con PDR inferiore rispetto agli altri due protocolli. Quando il traffico cresce a λ2= 0.05 le prestazioni del protocollo DACAP degradano rispetto agli altri due protocolli che invece garantiscono basse latenze e PDR pari al 100%.

Risultati Sperimentali - Comportamento del selettore dei protocolli

Si passa ora ad illustrare i risultati ottenuti con il selettore dei protocolli al fine di mostrare la sua capacità di adattarsi autonomamente alle condizione variabili dell'ambiente. Negli esperimenti che seguono, si simula una variazione dell'ambiente dopo 50000 secondi e si osserva il comportamento del selettore dei protocolli.

Nel primo scenario considerato, si varia il traffico passando da Al = 0.033 to A2 = 0.05 pacchetti al secondo, mantenendo costante la dimensione del pacchetto a 2000B. Sono stati effettuati tre diversi esperimenti, ottimizzando di volta in volta una differente metrica di prestazioni: il PDR, la latenza e il consumo energetico. I risultati sono mostrati nella Figure 5, 6 e 7, che nello specifico mostrano i protocolli selezionati nel tempo dal selettore dei protocolli (la barra verticale rappresenta l'istante di tempo in cui il livello di traffico cambia). Come si può osservare, il selettore dei protocolli è sempre in grado di individuare il protocollo migliore e adattare il suo comportamento quando il traffico cambia. Le figure illustrano anche il funzionamento dell'algoritmo di learning: all'inizio di ogni esperimento (o dopo una barra verticale) il selettore dei protocolli si trova nella fase di exploration [SuBa98], per valutare il comportamento dei vari protocolli nelle condizioni operative correnti. Successivamente, sfruttando la conoscenza acquisita, fa exploitation [SuBa98], impiegando il protocollo che ha mostrato le prestazioni migliori. Saltuariamente il selettore dei protocolli seleziona anche protocolli sub-ottimi in modo da migliorare e aggiornare la sua conoscenza sulle prestazioni dei diversi protocolli.

Nel secondo scenario considerato, si cambia la dimensione del pacchetto, da 128B a 2000B, mantenendo costante il traffico a Al = 0.033 pacchetti al secondo. Nuovamente, gli esperimenti sono stati ripetuti tre volte variando la metrica da ottimizzare. I risultati ottenuti sono mostrati nelle Figure 8, 9 e 10 (la barra verticale rappresenta 1'istante di tempo in cui la dimensione del pacchetto cambia). Ε' importante osservare che tutti gli esperimenti il selettore dei protocolli è sempre in grado di individuare il protocollo ottimo.

Bibliografia

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Claims

RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo installabile sui nodi e sul collettore di una rete di sensori sottomarini dotati di uno o più apparati di comunicazione che operano con diverse pile protocollari per selezionare dinamicamente ed in modo autonomo nel tempo la migliore soluzione da usare per la comunicazione ovvero la configurazione che risponde alle specifiche utente, adattandosi autonomamente e dinamicamente ed in modo efficace alle condizioni sempre diverse e mutevoli dell'ambiente sottomarino, caratterizzato dal fatto che comprende: • mezzi di immagazzinamento dati dove vengono raccolti i pacchetti dati inviati dai nodi, • dei connettori standard per 1'inter-connessione di detto dispositivo con uno o più modem, • una unità di elaborazione ed • un programma di computer ''selettore dei protocolli" implementabile da detta unità di elaborazione per determinare in modo autonomo e cambiare dinamicamente la pila dei protocolli di rete al variare delle condizioni operative in cui la rete si trova ad operare, al fine di ottimizzare le prestazioni dell'applicazione supportata in termini di ritardo di rete, frazione dei pacchetti consegnati, energia consumata, e/o una loro combinazione, anche senza sapere la logica di funzionamento dei protocolli della pila, nonché • mezzi di alimentazione per gestire e far funzionare detti mezzi di immagazzinamento, di comunicazione, e di elaborazione dati.
2) Dispositivo come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto programma di computer ''selettore dei protocolli" è costituito dai seguenti moduli: • Monitor dei pacchetti (modulo A): atto ad analizzare i pacchetti ricevuti dal collettore per estrarre tutte quelle informazioni necessarie per: (i) valutare le prestazioni del protocollo corrente e (ii) individuare eventuali cambiamenti delle condizioni della rete; (step 2, 5 del diagramma di flusso; • Analizzatore dati (modulo B): atto ad analizzare i dati raccolti per individuare eventuali cambiamenti nelle condizioni della rete, detti cambiamenti potendo riguardare un diverso traffico nella rete (inteso come quantità di dati per unità di tempo), una variazione nella qualità del canale acustico, oppure un cambio nella dimensione dei pacchetti scambiati dai nodi (step 3, 4, 9 del diagramma di flusso); • Misuratore delle prestazioni (modulo C); atto a calcolare le prestazioni del protocollo attualmente in uso (step 6 del diagramma di flusso); • Ottimizzatore (modulo D); atto ad eseguire un algoritmo di learning, per imparare quale sia la pila protocollare ottimale per ogni stato del sistema, utilizzando a tale scopo i risultati prodotti dal Misuratore delle prestazioni C (step 7, 8 e 10 del diagramma di flusso); • Gestore cambio protocolli, (modulo E); atto a gestire il cambio di protocollo nella rete, senza interromperne l'operatività (step 11 del diagramma di flusso).
3) Metodo per consentire ad un sistema dispiegato, quale una rete di sensori sottomarini dotati di uno o più apparati di comunicazione che operano con diverse pile protocollari, di selezionare dinamicamente ed in modo autonomo nel tempo la migliore soluzione da usare per la comunicazione ovvero la configurazione che risponde alle specifiche utente, adattandosi autonomamente e dinamicamente ed in modo efficace alle condizioni sempre diverse e mutevoli dell'ambiente sottomarino, caratterizzato dal fatto che prevede di stimare ed apprendere lo stato del sistema, utilizzando il traffico dati dello stesso sistema dispiegato, con il coordinamento di un nodo, selezionato come collettore, il cui compito è, oltre al suo normale ruolo di raccolta dati, quello di determinare e cambiare dinamicamente la pila dei protocolli di rete utilizzati, al fine di ottimizzare le prestazioni di interesse, dove a tale scopo detto nodo con una sua unità di elaborazione implementa un programma per computer ''selettore dei protocolli" che: esegue il monitoraggio dello stato della rete e la raccolta dei dati sulle prestazione della stessa rete; valuta ad intervalli periodici le prestazioni del protocollo nell'ultimo intervallo ed esegue un passo di un algoritmo di (reinforcement learning) apprendimento per rinforzo al termine del quale valuta se cambiare o meno il protocollo per il prossimo intervallo, e riprende il flusso di esecuzione principale.
4) Metodo come alla rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il flusso di esecuzione della logica di detto ''selettore dei protocolli" implementato dall'unità di elaborazione di detto nodo collettore segue di norma un ciclo che comprende le fasi di Monitoraggio, Analisi, Pianificazione ed Esecuzione, 5) Metodo come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto flusso di esecuzione prevede i seguenti passi: a) analisi dei pacchetti ricevuti per estrarre tutte quelle informazioni necessarie per: i) valutare le prestazioni del protocollo corrente e ii) individuare eventuali cambiamenti nel sistema (step 2, 5 del diagramma di flusso) b) analisi dei dati raccolti per individuare eventuali cambiamenti nella rete, detti cambiamenti potendo riguardare un diverso traffico nella rete, una variazione nella qualità del canale acustico, oppure un cambio nella dimensione dei pacchetti scambiati dai nodi (step 3, 4, 9 del diagramma di flusso); c) calcolo delle prestazioni della pila protocollare attualmente in uso (step 6 del diagramma di flusso); d) esecuzione di un algoritmo di apprendimento (learning), per imparare quale sia la pila di protocolli (step 1 e 2) ottimale per ogni stato del sistema, utilizzando a tale scopo i risultati prodotti dal passo a) (step 7, 8 e 10 del diagramma di flusso); e e) gestione del cambio della pila dei protocolli nella rete, senza interromperne l'operatività (step 11 del diagramma di flusso). 6) Metodo come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che nella fase a) il selettore dei protocolli caratterizza lo stato operativo del sistema attraverso una tripla di valori che riassumono le condizione della rete in un dato istante e che viene definito come stato della rete s=(CU, q$nrlPgize'i, dove q$nrè il rapporto segnale/rumore medio,λ è il carico di rete e ps±zeè la dimensione media dei pacchetti; e le intestazioni dei pacchetti di rete sono estese in modo da includere le informazioni necessarie all'individuazione dello stato e valutazione della pila protocollare, ad ogni pacchetto k trasmesso il nodo j aggiungendo il campo intestazione HDPRE~{pk<J>,t<J>tx,t<J>k), dove pk<}>è un identificatore progressivo dei pacchetti inviati da parte del nodo k, t<J>txè il tempo totale di trasmissione del nodo j nel corrente round e tkil timestamp del pacchetto. 7) Metodo come alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il modulo di analisi dei dati nella fase b) , per rilevare cambiamenti, anche significativi, dello stato della rete, fa ricorso, per ognuno delle tre componenti dello stato (rapporto segnale/rumore medio, carico di rete, dimensione media dei pacchetti) ad un algoritmo di change detection di tipo adattivo della famiglia del CUSUM [Mo08,CaTol2 ] combinato con un filtro passo basso (media esponenziale pesata, EWMA) per il monitoraggio della media dei valori. 8) Metodo come alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che se il selettore dei protocolli non rileva cambiamenti dello stato, si prosegue nella collezione dei dati fino all'eventuale completamento del corrente intervallo di valutazione; se invece lo stato è cambiato, si interrompe la collezione di dati, si rileva il nuovo stato e si sceglie la migliore pila protocollare per le nuove condizioni; e completato il cambiamento di stato viene iniziato un nuovo intervallo di collezione di statistiche relative al nuovo stato. 9) Metodo come alla riv.5 caratterizzato dal fatto che al termine di un intervallo di valutazione iesimo vengono prima analizzate le prestazioni del protocollo in termini di frazione dei pacchetti consegnati r±, energia consumata e±e ritardo di rete 1± nell' intervallo appena concluso, calcolando questi valori secondo le seguenti formule a partire dalle informazioni contenute nel campo HDPRE dei pacchetti: ; ∑;P: rcv ∑j<p>Lt ∑;∑fe ife h = ∑;Pr,cv ; ∑/*ί <'>∑ j Prcv dove è il numero di pacchetti inviati dal nodo j durante l'intervallo di valutazione appena conclusosi (e che si può calcolare a partire dall'intestazione HDPRE come p^nt= maxfep^-minfepk+ l, pr<}>cvè il numero di pacchetti ricevuto dal nodo j nello stesso intervallo), lkla latenza del pacchetto k, che si ottiene dalla differenza tra l'istante di ricezione e il timestamp t<J>kdel pacchetto e L la lunghezza media di un pacchetto in byte; a partire dagli indici r±, li ed e±, si calcola poi un unico indice scalare aggregato c±che tiene conto dei diversi indici di prestazione, opportunamente normalizzati e pesati secondo le esigenze dell'applicazione; Cj= wr<■>fi+ we<■>èj+ Wj<■>^ dove fifè^e /jrappresentano i valori normalizzati nell'intervallo [0,1] della frazione di pacchetti consegnati, dell'energia per bit e del ritardo di rete, rispettivamente, calcolati secondo la seguente formula ; ί Γ[— min rTO - maxrw,≠ minr„ = ·{maxrm-mm rm ' 1 /<■>maxem-et max em≠ minem e*= <r>maxlm— li -;- ;— — max/™≠ min/™ li ^m-axL -m-inL 1 maxlm= minlm dove i valori minimi e massimi sono precalcolati tramite simulazioni, stimati o basati sull'esperienza e dove i pesi non negativi, wrtwee wltwr+ we+ = 1, forniscono il peso relativo delle diverse metriche alle prestazioni e dipendono dall'applicazione. 10) Metodo come alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che nella fase di apprendimento (Learning) , si aggiornano le statistiche delle prestazioni del protocollo pi relativamente allo stato corrente del sistema s= (λ, q$nr, Psize) impiegato nell'ultimo intervallo, ricalcolando il valore medio tenendo conto dell'indice aggregato ο± appena calcolato ∑m-i<Cml>{pm-Pi,3⁄4 H c(s,pt) ∑»n=i<1>[pm=pi^m=s} 11) Metodo come alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che successivamente alla fase di Apprendimento (Learning) si valuta quale pila protocollare usare nel prossimo intervallo, intervallo i+1 con il sistema nello stato s , dove la soluzione proposta si basa su una tecnica matematica generale di apprendimento per rinforzo (reinforcement learning) ε-greedy nota come n-armed bandit [SuBa98] per cui la scelta ricade sulla pila protocollare che ha garantito il miglior livello di prestazioni per lo stato corrente (comportamento noto come exploitation - ovvero sfruttamento della conoscenza acquisita -nella letteratura dell'insegnamento di rinforzo (reinforcement learning) .