ITTO20110869A1 - Perfezionamenti nei protocolli di instradamento link-state, in particolare per una rete manet - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Perfezionamenti nei protocolli di instradamento link-state, in particolare per una rete MANET"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda i protocolli di instradamento di tipo link-state, ossia basati sullo stato del collegamento, e più specificamente un procedimento di instradamento delle comunicazioni di tipo link-state con migliorate prestazioni, in particolare un procedimento orientato alla riduzione delle perdite di pacchetti di trasmissione, atto ad essere attuato in una rete di comunicazione MANET.

Una rete di comunicazione MANET (Mobile Ad hoc NETwork) à ̈ una rete di comunicazione costituita da terminali mobili comunicanti tra loro attraverso connessioni wireless multi-hop, senza la presenza di una infrastruttura di rete fissa. I nodi della rete, possedendo libertà di movimento, formano un grafo di forma arbitraria in continua evoluzione e la topologia della rete varia rapidamente ed in modo imprevedibile. In figura 1 à ̈ esemplificativamente illustrata una rete MANET N includente una pluralità di nodi costituiti da terminali mobili, quali, ad esempio, gli apparecchi telefonici T1-T4 e gli elaboratori portatili P1-P3, in possesso di individui o installati a bordo di veicoli. In tale rete, per ovviare alle problematiche derivanti dalla mancanza di infrastruttura, ciascuno dei nodi à ̈ in grado di propagare le comunicazioni ricevute e destinate ad altri nodi, ritrasmettendo pacchetti di dati ai nodi vicini. Ogni comunicazione da un nodo mittente ad un nodo destinatario avviene attraverso un percorso di instradamento attraverso eventuali nodi intermedi, in funzione della topologia corrente della rete. Ogni nodo possiede infatti una conoscenza quanto più possibile aggiornata della topologia di rete, sotto forma di una tabella di routing o tabella di adiacenze, memorizzata in un modulo di memoria volatile, riscrivibile nel dispositivo di nodo. In generale, i dispositivi costituenti i singoli nodi di rete, comprendono mezzi elaboratori predisposti per eseguire un procedimento di instradamento di pacchetti di dati verso altri nodi di rete, comprendente l'assegnazione di un identificatore del nodo destinatario del pacchetto e la selezione di un percorso di trasmissione verso il nodo destinatario conformemente alla propria tabella di routing memorizzata, sulla base di un programma o di un gruppo di programmi memorizzati in un modulo di memoria permanente del dispositivo di nodo.

Le reti MANET trovano tipicamente applicazione in scenari di comunicazione caratterizzati da difficoltà logistiche o da ambienti di propagazione complessi, soprattutto in situazioni per cui à ̈ necessaria la creazione rapida di una rete di comunicazione di emergenza tra un numero limitato di terminali suscettibili di muoversi arbitrariamente, in scenari la cui infrastruttura di rete à ̈ assente o non operativa. Ad esempio, nel campo civile, le reti MANET sono adottate per la gestione delle comunicazioni in aree in cui si à ̈ verificata una catastrofe naturale e la cui infrastruttura di comunicazione à ̈ andata distrutta, tra terminali a bordo di mezzi di soccorso o in possesso di personale adibito ad operazioni di soccorso sul territorio.

Nell'ambito della ricerca e sviluppo delle reti MANET una delle questioni più affrontate riguarda lo sviluppo di protocolli di instradamento delle comunicazioni (pacchetti di dati o voce), capaci di gestire adeguatamente la mobilità dei nodi, la quale può comportare frequenti variazioni della topologia di rete ed una conseguente perdita delle informazioni (packet loss). La scelta di un protocollo di instradamento che mantenga le tabelle di routing adeguatamente aggiornate risulta essere quindi di fondamentale importanza.

In letteratura esiste una grande varietà di protocolli di instradamento per reti ad hoc, ma sono pochi gli studi che illustrano le prestazioni di questi protocolli applicati a reti multimediali.

Il protocollo OLSR (Optimized Link State Routing) Ã ̈ un esempio di protocollo standard di instradamento per MANET, di tipo link-state. Esso prevede che ogni nodo della MANET possieda una conoscenza completa della topologia di rete. Il protocollo OLSR utilizza a tal fine due tipi di messaggi di controllo che ogni nodo invia periodicamente ai nodi vicini: i messaggi HELLO e TC (Topology Control).

I messaggi di HELLO inviati da ogni nodo contengono le informazioni sui propri nodi vicini (ad un salto di distanza) e servono al nodo che li riceve per acquisire informazioni sui nodi a uno e a due salti di distanza (ossia sul nodo trasmittente e sui suoi nodi vicini), e per aggiornare una propria tabella di routing. Essi vengono inviati in broadcast e non devono mai essere inoltrati.

I messaggi di TC contengono anch'essi informazioni sui nodi vicini ma, a differenza dei messaggi di HELLO, devono essere inoltrati a tutti i nodi della rete. La ricezione dei messaggi di TC permette di ricostruire periodicamente l'intera topologia di rete.

Il protocollo OLSR à ̈ un protocollo ottimizzato rispetto ai protocolli di tipo link-state utilizzati nelle reti cablate. Lo scopo delle ottimizzazioni à ̈ quello di ridurre il traffico di segnalazione provocato dai messaggi di TC, attraverso la riduzione dei nodi incaricati dell'inoltro degli stessi, evitando quindi il flooding su tutta la rete, come invece avviene nei protocolli di tipo linkstate tradizionali. La riduzione dei nodi incaricati all'inoltro dei messaggi di TC à ̈ possibile in virtù del fatto che spesso, soprattutto per reti molto dense, l'operazione di flooding introduce una certa ridondanza, la quale comporta la ricezione di messaggi duplicati. I nodi incaricati di inoltrare i messaggi di TC sono chiamati MPR (Multi-Point Relays) e vengono scelti da ogni nodo tra l'insieme dei propri vicini ad un salto.

Nell'operatività normale le continue variazioni della topologia di rete, provocate dal movimento dei nodi, comportano la perdita della connessione tra i nodi stessi e quindi una perdita dei pacchetti trasmessi tra due nodi precedentemente in comunicazione. Nel caso in cui le trasmissioni siano di tipo continuo ed in tempo reale, come ad esempio le comunicazioni vocali, l'impatto della mancanza del collegamento sulla qualità delle comunicazioni risulta particolarmente pesante, con un decadimento delle prestazioni tale da renderle inaccettabili.

Affinché una connessione (a livello di rete) tra due nodi non subisca alcuna interruzione à ̈ necessario che ogni nodo reagisca istantaneamente ai cambiamenti di topologia della rete, aggiornando di conseguenza la propria tabella di routing.

Tuttavia, un aggiornamento istantaneo e sincronizzato delle tabelle di routing dei nodi à ̈, di fatto, un risultato irraggiungibile. Gli intervalli tra i messaggi di segnalazione sono non nulli e per accorgersi di un cambiamento di topologia un nodo impiega un tempo tanto maggiore quanto più grande à ̈ la distanza in salti che lo separa dalla zona in cui à ̈ avvenuto il cambiamento.

Nel protocollo OLSR, qui portato ad esempio non limitativo dell'arte nota, il traffico di segnalazione à ̈ rappresentato principalmente dai messaggi di HELLO e TC.

I parametri utilizzati dal protocollo OLSR sono: l'intervallo tra i messaggi di HELLO, l'intervallo tra i messaggi di TC e l'intervallo di validità di un collegamento. I primi due parametri indicano gli intervalli temporali che intercorrono rispettivamente tra l'invio di due messaggi consecutivi di HELLO e l'invio di due messaggi consecutivi di TC. Il terzo parametro indica invece l'intervallo di tempo entro il quale, in mancanza di aggiornamenti, un collegamento ad un salto (ad un nodo vicino) può considerarsi valido. Ogni collegamento tra due nodi vicini possiede un tempo di validità oltre il quale il collegamento stesso viene eliminato dalla memoria del nodo. Il tempo di validità à ̈ lo stesso per ciascuna coppia di nodi vicini. In particolare, alla ricezione di un messaggio di HELLO, ogni nodo attiva un contatore e lo assegna al collegamento tra il nodo stesso ed il nodo che ha inviato il messaggio di HELLO. Si viene così creare una serie di collegamenti virtuali tra ogni coppia di nodi vicini (ad un salto di distanza), a ciascuno dei quali à ̈ assegnato un contatore con durata pari all'intervallo di validità di un collegamento. Ogni nodo, alla ricezione di un messaggio di HELLO, azzera e riattiva il contatore assegnato al collegamento tra il nodo stesso ed il nodo che ha inviato il messaggio. Diversamente, se prima del termine del conteggio nessun messaggio di HELLO viene ricevuto, il contatore scade ed il collegamento viene rimosso dalla memoria del nodo (ossia dalla sua tabella di routing).

Al fine di mantenere una connessione il più possibile stabile tra due nodi à ̈ possibile ridurre a piacere l'intervallo di invio di queste due tipologie di messaggi.

Svantaggiosamente, una forte riduzione di questi intervalli corrisponde però ad un aumento significativo del carico di segnalazione, con conseguente riduzione della banda disponibile per le comunicazioni utili (dati, voce) che possono avvenire nella rete.

La perdita di un pacchetto si verifica quando due nodi comunicanti non sono più in visibilità, ma il collegamento associato in memoria al nodo trasmittente risulta ancora valido.

Le figure 2a-2d illustrano una successione temporale di eventi che esemplifica le condizioni che conducono alla perdita di un pacchetto in una rete MANET operante secondo il protocollo OLSR tradizionale.

Con A, B e C sono indicati tre nodi della rete, A essendo il nodo impegnato nella trasmissione di uno o più pacchetti di dati verso il nodo B. Intorno al nodo A à ̈ definita un'area o regione di copertura effettiva Ca(dipendente dalla potenza di trasmissione del nodo) entro la quale i pacchetti di dati inviati dal nodo A possono essere ricevuti correttamente. Esemplificativamente, à ̈ mostrata la tabella di routing del nodo A con riferimento ai percorsi verso i nodi vicini B e C.

In figura 2a à ̈ descritto un primo evento di segnalazione, ossia la trasmissione quasi sincrona, da parte dei nodi B e C, di due messaggi di HELLO. Poiché i tre nodi in figura sono in diretta vicinanza tra loro, il messaggio di HELLO inviato dal nodo B à ̈ ricevuto sia dal nodo A che dal nodo C, mentre il messaggio di HELLO inviato dal nodo C à ̈ ricevuto sia dal nodo A che dal nodo B. Il nodo A, ricevendo i messaggi di HELLO, acquisisce conoscenza sui nodi ad uno e a due salti di distanza da es so e determina di conseguenza i percorsi possibili verso tali nodi, che provvede a memorizzare in una propria tabella di routing. Ad esempio, per la trasmissione verso il nodo B identifica il percorso diretto l1con un solo salto da A a B ed il percorso indiretto l2con due salti da A a C e da quest'ultimo a B. Per semplicità di trattazione e poiché l'invenzione riguarda la perdita dei pacchetti tra due nodi vicini non à ̈ descritto l'invio di messaggi di segnalazione di TC.

In figura 2b à ̈ mostrato l'invio di un pacchetto dati da parte del nodo A verso il nodo B. Il pacchetto à ̈ diffuso da A entro la sua area di copertura Ca, e reca un indirizzo di riconoscimento del nodo primo destinatario. I possibili percorsi tra questi due nodi sono indicati dalle frecce: la freccia continua indica il percorso prescelto l1(indirizzo di riconoscimento del nodo B) mentre la freccia tratteggiata indica un percorso alternativo l2di cui il nodo A à ̈ a conoscenza, ma che al momento non utilizza poiché considerato svantaggioso. Nei protocolli di instradamento, la modalità di scelta dei percorsi à ̈ la minimizzazione del peso associato ad essi, calcolato secondo la metrica del protocollo stesso. Nel protocollo OLSR standard, la metrica à ̈ rappresentata semplicemente dal numero di salti ed à ̈ quindi facilmente intuibile il motivo della scelta del percorso di trasmissione descritta sopra.

Il pacchetto dati inviato viene correttamente ricevuto dal nodo B poiché quest'ultimo si trova all'interno dell'area di copertura Cadel nodo A.

Sempre in figura 2b à ̈ inoltre mostrato il movimento del nodo B verso l'esterno dell'area di copertura del nodo A. La direzione del movimento à ̈ indicata dalla freccia mentre la velocità di movimento à ̈ rappresentata dal modulo del vettore v.

La figura 2c mostra una condizione di invio e perdita di un pacchetto dati, trasmesso dal nodo A verso il nodo B. La perdita del pacchetto dati si verifica poiché il nodo B (che rappresenta il nodo destinatario della trasmissione) si trova all'esterno dell'area di copertura Cadel nodo A, ossia non à ̈ più in grado di ricevere il segnale inviato dal nodo A. Il segnale inviato dal nodo A à ̈ stato trasmesso a destinazione del nodo B a causa del mancato aggiornamento del percorso ad un salto, il quale risulta ancora valido per il nodo A, ossia l'intervallo di validità del collegamento l1tra B ed A ripristinato in A alla ricezione del precedente messaggio di HELLO da B non à ̈ ancora scaduto. Infine, la figura 2d illustra l'invio con successo di un pacchetto dati da parte del nodo A verso il nodo B, esterno all'area di copertura del nodo A. Il pacchetto viene ricevuto correttamente poiché, prima della sua trasmissione, à ̈ scaduta, presso il nodo A, la validità del collegamento l1ad un salto tra il nodo A stesso ed il nodo B. Il percorso l1ad un salto à ̈ stato quindi cancellato nella tabella di routing del nodo A e sostituito con il percorso a due salti l2passante per il nodo C.

In definitiva, il movimento dei nodi comporta una consistente difficoltà di aggiornamento delle tabelle di routing, con la conseguente perdita di pacchetti. Lo scenario descritto si verifica ripetutamente nelle comunicazioni vocali, contraddistinte da trasferimenti di pacchetti di dati nell'ordine dei secondi.

US 2007/066312 affronta il problema della perdita di pacchetti di dati in una rete di comunicazione operante con un protocollo di instradamento OLSR tra una stazione radio base fissa ed un nodo mobile. La stazione radio base à ̈ predisposta per stimare il tempo previsto di allontanamento di un nodo mobile dalla regione di copertura della stazione radio base e di conseguenza modifica il tempo di validità del collegamento con tale nodo nella propria tabella di routing, per cui il nodo à ̈ anticipatamente eliminato dalla tabella.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di ridurre il tasso di perdita di pacchetti in una rete composta da nodi mobili paritetici operante con un protocollo di instradamento del tipo link-state, ed in particolare un protocollo di instradamento OLSR, quale ad esempio una rete di comunicazione MANET.

Ulteriore scopo dell'invenzione à ̈ quello di realizzare un procedimento di instradamento di pacchetti a ridotto tasso di perdita che sia di semplice attuazione e non aumenti la complessità computazionale dei nodi di rete, né sottragga risorse di elaborazione destinate presso tali nodi al trattamento del traffico dati.

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento di instradamento avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrale della presente descrizione.

Formano ulteriore oggetto dell'invenzione un nodo di una rete di comunicazioni, una rete di comunicazione MANET, ed un programma per elaboratore predisposto per l'esecuzione di un procedimento di instradamento, come rivendicato.

Il procedimento di instradamento oggetto dell'invenzione à ̈ stato sviluppato preferibilmente per reti MANET (Mobile Ad hoc NETwork), ovvero per comunicazioni wireless in reti senza infrastruttura, dove i nodi della rete possiedono libertà di movimento.

In sintesi, il procedimento di instradamento oggetto dell'invenzione si basa sulla definizione di una regione di copertura ristretta per ogni nodo trasmittente della rete, rispetto alla regione di copertura effettiva, ad esempio per riduzione del raggio di trasmissione percepito da un nodo trasmittente ad un valore definito come Distanza Limite (dL). Tale riduzione si ottiene imponendo che ciascun nodo scarti i messaggi di HELLO provenienti da nodi situati oltre la Distanza Limite. La distanza limite à ̈ calcolata presso ciascun nodo in base alle sue caratteristiche trasmissive ed alle caratteristiche di mobilità dei nodi della rete, da cui esso riceve messaggi di Hello. La posizione di ciascun nodo à ̈ resa nota ai propri vicini in diverse modalità possibili, ad esempio attraverso la comunicazione delle proprie coordinate di localizzazione sulla rete, mediante pacchetti di segnalazione. Per questo, ogni nodo deve essere equipaggiato di un dispositivo di localizzazione, quale un dispositivo di localizzazione satellitare, ad esempio GPS.

Per effetto dell'introduzione del parametro di Distanza Limite, ogni nodo à ̈ dunque a conoscenza dell'esistenza di un numero di nodi vicini inferiore al numero reale di nodi vicini, definito dalla sua area di copertura effettiva, poiché non riconosce come nodi vicini i nodi esterni all'area di copertura percepita, benché da essi riceva un messaggio di Hello. Questo risultato equivale ad una riduzione artificiosa del raggio di trasmissione effettivo, ottenuta semplicemente attraverso l'eliminazione, da parte del nodo A, di tutti i messaggi di Hello provenienti da nodi situati oltre l'area di copertura percepita.

Convenientemente, attraverso una riduzione del raggio trasmissivo percepito da ciascun nodo à ̈ possibile ridurre il tasso di perdita di pacchetti. Vantaggiosamente, il parametro di distanza limite à ̈ un parametro interno a ciascun nodo e può essere impostato in sede di fabbricazione del dispositivo costituente un nodo di rete, oppure può essere impostato in occasione della messa in opera della rete ovvero di accesso del dispositivo alla rete, o ancora essere variabile nel tempo e configurabile dinamicamente nel corso dell'evoluzione della rete e dipendentemente dalle relative condizioni al contorno, quali ad esempio le condizioni di propagazione. Il parametro di distanza limite introdotto dall'invenzione non à ̈ una informazione di segnalazione aggiuntiva, circolante sulla rete, bensì un parametro calcolato autonomamente da ciascun nodo, sulla base di grandezze di impostazione note al nodo stesso, e la sua introduzione non condiziona le grandezze definite dal protocollo di instradamento OLSR standard.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 à ̈ una rappresentazione schematica di una rete MANET, già commentata nella parte introduttiva di questa descrizione;

le figure 2a-2d sono rappresentazioni di scenari di comunicazione tra nodi di una rete MANET operante secondo un protocollo di instradamento delle comunicazione OLSR standard, discussi nella parte introduttiva di questa descrizione;

la figura 3 Ã ̈ una rappresentazione dello scenario operativo di un nodo trasmittente di una rete MANET secondo l'invenzione;

le figure 4a-4d sono rappresentazioni di scenari di comunicazione tra nodi di una rete MANET operante secondo un protocollo di instradamento delle comunicazione oggetto dell'invenzione;

la figura 5 mostra un esempio di scenario di localizzazione di due nodi comunicanti di una rete MANET;

la figura 6 Ã ̈ una trama di un messaggio HELLO di un protocollo di instradamento OLSR; e

le figure 7 a 11 sono grafici che mostrano l'andamento di parametri indicativi delle prestazioni di una rete MANET operante secondo un procedimento di instradamento delle comunicazioni oggetto dell'invenzione, per confronto con un procedi mento di instradamento delle comunicazioni tradizionale.

La figura 3 mostra una rete MANET o parte di essa in cui, analogamente all'esempio di tecnica nota discusso nella parte introduttiva di questa descrizione, con A à ̈ indicato un nodo della rete impegnato nella trasmissione di uno o più pacchetti di dati verso nodi vicini a destinazione di uno qualsiasi dei nodi di rete. Intorno al nodo A à ̈ definita un'area o regione di copertura effettiva Ca(dipendente dalla potenza di trasmissione del nodo), entro la quale i pacchetti di dati inviati dal nodo A possono essere ricevuti correttamente dagli altri nodi della rete presenti, ed un'area o regione di copertura virtuale ridotta Crdipendente da un parametro di distanza limite di trasmissione (dL), impostato nel dispositivo di nodo, ad esempio all'atto della sua fabbricazione o in occasione della configurazione della rete.

I nodi B, C, D, E interni all'area di copertura virtuale o percepita Crrappresentano i nodi che il nodo A percepisce come suoi vicini, mentre i nodi F, G, H, L, esterni all'area di copertura percepita Cr, ma comunque interni all'area di copertura effettiva Cavengono ciononostante percepiti dal nodo A come se fossero a due salti di distanza.

Questo risultato à ̈ ottenuto presso il nodo A attraverso l'esclusione intenzionale di tutti i messaggi di Hello provenienti da nodi situati oltre il confine dell'area di copertura percepita. Risulterà del tutto evidente ad un tecnico del ramo che, benché l'area di copertura percepita (ma anche l'area di copertura effettiva) sia in questa descrizione e nelle figure rappresentata schematicamente di forma circolare, essa à ̈ da intendersi piuttosto come un volume di copertura, per quelle reti che prevedono la dislocazione dei nodi a differenti altezze da terra, e la sua conformazione non à ̈ limitata alla forma circolare o sferica, ma può essere qualsivoglia laddove si consideri la definizione di distanza limite in funzione della direzione spaziale di trasmissione, e ancora differente da nodo a nodo.

Le figure 4a-4d mostrano una successione temporale di eventi che esemplifica le condizioni di funzionamento di una rete MANET operante secondo il procedimento di instradamento oggetto dell'invenzione. Lo scenario illustrato nella figura 4a-4d à ̈ analogo allo scenario illustrato precedentemente con riferimento alle figure 2a-2d, in cui un nodo A trasmette pacchetti di dati verso un nodo B in rapido allontanamento da esso. Tuttavia, in questa occasione si può osservare come l'utilizzo del procedimento di instradamento oggetto dell'invenzione riesca a prevenire la perdita di un pacchetto, che andrebbe invece perduto utilizzando il protocollo OLSR standard. Elementi identici o funzionalmente equivalenti a quelli illustrati nelle figure 2a-2d sono stati indicati con gli stessi riferimenti già utilizzati nella descrizione di tali figure precedenti.

I parametri del procedimento oggetto dell'invenzione sono gli stessi descritti con riferimento al protocollo OLSR tradizionale, ossia l'intervallo tra i messaggi di HELLO, l'intervallo tra i messaggi di TC e l'intervallo di validità di un collegamento.

In figura 4a à ̈ descritto un primo evento di segnalazione, ossia la trasmissione quasi sincrona, da parte dei nodi B e C, di due messaggi di HELLO. Poiché i tre nodi in figura sono in diretta vicinanza tra loro, il messaggio di HELLO inviato dal nodo B à ̈ ricevuto sia dal nodo A che dal nodo C mentre il messaggio di HELLO inviato dal nodo C à ̈ ricevuto sia dal nodo A che dal nodo B. Il nodo A, ricevendo i messaggi di HELLO, acquisisce conoscenza sui nodi ad uno e a due salti di distanza da esso e determina di conseguenza i percorsi possibili verso tali nodi, che provvede a memorizzare in una propria tabella di routing. Ad esempio, per la trasmissione verso il nodo B identifica il percorso diretto con un solo salto da A a B ed il percorso indiretto con due salti da A a C e da quest'ultimo a B.

Tutti i messaggi di HELLO ricevuti dai nodi situati nell'area compresa tra il limite dell'area di copertura percepita Cre il limite dell'area di copertura effettiva Ca(in questa forma di realizzazione puramente esemplificativa rappresentata come corona circolare) vengono automaticamente scartati dal nodo A.

In figura 4b à ̈ mostrata l'invio di un pacchetto dati da parte del nodo A verso il nodo B. Il pacchetto à ̈ diffuso da A entro la sua area di copertura C, e reca un indirizzo di riconoscimento del nodo primo destinatario. I possibili percorsi tra questi due nodi sono indicati dalle frecce: la freccia continua indica il percorso prescelto (indirizzo di riconoscimento del nodo B) mentre la freccia tratteggiata indica un percorso alternativo di cui il nodo A à ̈ a conoscenza, ma che al momento non utilizza poiché considerato svantaggioso.

Il pacchetto dati inviato viene correttamente ricevuto dal nodo B poiché quest'ultimo si trova all'interno dell'area di copertura percepita Crdel nodo A.

Sempre in figura 4b à ̈ inoltre mostrato il movimento del nodo B verso l'esterno dell'area di copertura percepita Crdel nodo A. La direzione del movimento à ̈ indicata dalla freccia mentre la velocità di movimento à ̈ rappresentata dal modulo del vettore v.

La figura 4c mostra una condizione di invio di un ulteriore pacchetto dati, trasmesso dal nodo A verso il nodo B. Il nodo B si trova ora entro un'area di transizione, all'esterno dell'area di copertura percepita Cr, ma ancora all'interno dell'area di copertura effettiva Ca. In questa condizione ogni messaggio di HELLO inviato dal nodo B viene scartato dal nodo A, impedendo di conseguenza l'azzeramento del contatore di validità associato al collegamento tra i nodi A e B. Il pacchetto dati inviato viene ancora correttamente ricevuto dal nodo B poiché quest'ultimo si trova comunque all'interno dell'area di copertura effettiva del nodo A.

Infine, la figura 4d illustra l'invio di un successivo pacchetto dati da parte del nodo A verso il nodo B, esterno all'area di copertura effettiva del nodo A. In questa condizione non à ̈ possibile instaurare un collegamento diretto tra i nodi A e B, poiché il nodo B (che rappresenta il nodo destinatario della trasmissione) si trova all'esterno dell'area di copertura effettiva del nodo A, ossia non à ̈ più in grado di ricevere il segnale inviato dal nodo A. Tuttavia, il pacchetto viene ricevuto correttamente poiché, prima della sua trasmissione, à ̈ scaduta, presso il nodo A, la validità del collegamento ad un salto tra il nodo A stesso ed il nodo B. Il percorso ad un salto à ̈ stato quindi cancellato nella tabella di routing del nodo A e sostituito con il percorso a due salti passante per il nodo C. Il tempo trascorso dal nodo B all'interno dell'area di transizione à ̈ stato sufficiente affinché avvenisse la scadenza della validità del collegamento tra il nodo A ed il nodo B.

L'impostazione del parametro di distanza limite dLà ̈ di fondamentale importanza per il corretto funzionamento del procedimento di instradamento, poiché un valore eccessivamente basso può provocare una perdita di connettività della rete mentre un valore eccessivamente alto non garantirebbe la massima riduzione possibile del tasso di perdita dei pacchetti.

La distanza limite deve essere quindi tale da garantire un tasso di perdita dei pacchetti nullo considerando uno scenario particolarmente sfavorevole. Tale scenario à ̈ rappresentato dalle seguenti condizioni:

• I nodi A e B sono in movimento alla loro rispettiva velocità massima vmaxin direzioni opposte alla loro congiungente, come illustrato schematicamente in figura 5a;

• Il nodo B invia un messaggio di HELLO immediatamente precedente la sua uscita dall'area di copertura percepita dal nodo A, come mostrato in figura 5b.

In questa condizione operativa più sfavorevole si vorrebbe che il collegamento tra il nodo A ed il nodo B perdesse la propria validità nel momento stesso in cui il nodo B si allontana ad una distanza d > r, permettendo al nodo A di selezionare immediatamente un percorso alternativo quando il collegamento ad un salto non à ̈ più disponibile.

In altre parole, si vorrebbe che il tempo di permanenza Tpdel nodo B all'interno dell'area di transizione fosse sufficiente all'esaurimento del tempo di validità del collegamento, posseduto in memoria dal nodo A, ossia:

Tp= vtime

Esaurito il tempo di validità del collegamento il nodo A può aggiornare la propria tabella di routing ed offrire un percorso alternativo verso il nodo B nel momento in cui esso si muove oltre il raggio di trasmissione effettivo del nodo A, diventando quindi irraggiungibile.

Il tempo di permanenza à ̈ ovviamente variabile e dipende dalla velocità del nodo e dalla sua direzione di movimento, per cui nelle ipotesi di cui sopra il tempo di permanenza minimo diventa:

<r − d>

T P = L = vtime

2â‹…vmax

La distanza limite risulta quindi espressa come:

dL= r −2 ⋅ vmax⋅ vtime

dove,

dL= distanza limite

r = raggio di trasmissione effettivo del nodo vmax= velocità massima raggiungibile dai nodi vtime = intervallo di validità di un collegamento Ogni nodo che utilizzi l'insegnamento dell'invenzione necessita di conoscere le distanze reali dai propri nodi vicini, cosicché possa decidere correttamente quando scartare i messaggi di HELLO provenienti da essi.

Vantaggiosamente, ogni nodo può considerare anche informazioni sulla velocità corrente o la velocità massima raggiungibile da esso e dai nodi vicini (che può essere ad esempio dipendente dalla categoria del dispositivo costituente il nodo di rete, quale un dispositivo portatile personale o un dispositivo di bordo di un veicolo), per cui il parametro di distanza limite risulta variabile tra coppie di nodi vicini.

Ancora più vantaggiosamente, in una forma di realizzazione raffinata, il valore di distanza limite può essere una funzione della direzione di trasmissione tra nodi comunicanti.

Le distanze sono calcolate attraverso l'elaborazione delle informazioni sul posizionamento dei nodi ottenute dai dispositivi di localizzazione, quali i dispositivi di localizzazione satellitare GPS, del nodo stesso e di quelli appartenenti ai propri vicini. In altre parole, ciascun nodo ottiene da sé la propria posizione e riceve quella dei nodi vicini da ciascuno di essi.

Si propongono di seguito tre soluzioni per la trasmissione dell'informazione sul posizionamento:

• trasmissione dell'informazione “accorciata†nel campo reserved del messaggio di HELLO;

• trasmissione dell'informazione mediante un'applicazione separata (ad esempio un software di navigazione e di tracciamento delle posizioni dei nodi della rete);

• trasmissione dell'informazione completa nel messaggio di HELLO, attraverso una estensione del messaggio stesso.

La prima soluzione proposta trova esecuzione nella scelta di un sistema di riferimento e di una posizione di origine del sistema di riferimento, ad esempio il centro di un'area (o di un volume) di forma regolare all'interno del quale si muovono i nodi. L'informazione sul posizionamento dei nodi può quindi essere espressa come posizione relativa alla posizione di riferimento. Questa soluzione, per aree o volumi spaziali di azione di media estensione, permette di esprimere il posizionamento attraverso il solo uso dei secondi d'arco, abbreviando l'informazione che viene solitamente ricavata dai dispostivi GPS e permettendo a ciascun nodo di inserire tale informazione nel campo reserved a 16 bit dei messaggi di HELLO, previsto dal protocollo OSLR standard, salvaguardando la compatibilità del procedimento dell'invenzione con il protocollo standard.

La seconda soluzione prevede l'utilizzo di una applicazione separata per lo scambio delle informazioni sul posizionamento, come traffico dati invece che traffico di segnalazione. Utilizzando una applicazione di questo tipo à ̈ possibile conoscere quasi in ogni istante la posizione di tutti gli altri nodi della rete.

La terza soluzione prevede invece l'aggiunta di un campo a 32 bit nel messaggio di HELLO, in modo da poter memorizzare le coordinate complete relative alla latitudine ed alla longitudine del nodo. Questa soluzione rende il protocollo oggetto dell'invenzione compatibile con eventuali future estensioni del protocollo OLSR standard. La trama di un messaggio HELLO standard, arricchito dei campi di “latitudine†e “longitudine†à ̈ mostrata in figura 6.

In caso di malfunzionamento di un dispositivo di localizzazione, il nodo interessato viene considerato sempre raggiungibile dai propri vicini, ovvero il raggio di trasmissione percepito à ̈ uguale al raggio di trasmissione effettivo.

Gli inventori hanno valutato le prestazioni di un protocollo OLSR applicato ad una MANET costituita da nodi operanti comunicazioni di tipo vocale. La scelta del protocollo OLSR Ã ̈ stata determinata dalla sua larga diffusione e dalle caratteristiche che lo rendono particolarmente adatto per reti costituite da nodi che necessitano di mantenere tabelle di topologia complete ed aggiornate.

Gli inventori hanno simulato uno scenario operativo di una rete MANET comprendente 50 nodi, dislocati su un'area extra-urbana in spazio aperto di 20km<2>in cui la rete può essere considerata completamente connessa, aventi ciascuno potenza di trasmissione pari a 5W ed una frequenza di trasmissione di 400Mhz, con Bit Rate di 54Mbps. I nodi sono stati modellizzati da terminali posti ad una altezza da terra di 1,7m, operanti chiamate voce ad istanti casuali per una durata delle comunicazioni vocali compresa tra 0 e 10 secondi, con guadagno in trasmissione ed in ricezione di 2dB, sensibilità del ricevitore pari a -90dBm e soglia del rapporto segnale/rumore pari a 4dB. Il modello di propagazione adottato à ̈ una versione estesa del modello di Hokumura-Hata, attualmente utilizzato per la predizione del comportamento delle trasmissioni cellulari tra BTS e terminali mobili.

Le figure 7-11 mostrano grafici indicativi dei risultati di stima delle prestazioni di una rete MANET simulata, rispettivamente in una prima condizione operativa secondo un procedimento di instradamento standard ed in una seconda condizione operativa basata sull'applicazione del procedimento di instradamento oggetto dell'invenzione.

In figura 7 à ̈ illustrata la dipendenza del tasso di perdita di pacchetti dalla velocità dei nodi, in una rete utilizzante un procedimento di instradamento link-state OLSR standard (curva A) ed il procedimento link-state perfezionato oggetto dell'invenzione (curva B). Dalla figura si può osservare come l'utilizzo del procedimento dell'invenzione porti una evidente riduzione delle perdite di pacchetti nelle comunicazioni voce, garantendo perdite non superiori all'8%.

In figura 8 à ̈ illustrata la dipendenza del ritardo medio di consegna dei pacchetti dalla velocità dei nodi, in una rete utilizzante un procedimento di instradamento link-state OLSR standard (curva A) ed il procedimento link-state perfezionato oggetto dell'invenzione (curva B). Dalla figura si può osservare come il procedimento dell'invenzione contribuisca ad una riduzione sia del ritardo medio che della sua variabilità, rispetto al procedimento OLSR standard.

In figura 9 à ̈ illustrato, per ogni nodo, il tasso medio di invio del traffico di segnalazione, in una rete utilizzante un procedimento di instradamento link-state OLSR standard (curva A) ed il procedimento link-state perfezionato oggetto dell'invenzione (curva B). Il traffico di segnalazione risulta compreso, per il procedimento dell'invenzione tra 0,9 e 1,3 kbit/s e per il procedimento OLSR standard tra 0,9 e 1,1 kbit/s, con un incremento che si mantiene inferiore al 40% fino a circa 40 km/h. Nel procedimento dell'invenzione l'aumento del traffico di segnalazione à ̈ causato da un volume differente dei messaggi di HELLO e di TC, e dall’informazione aggiuntiva, relativa alla posizione, inserita nei pacchetti di segnalazione.

In figura 10 à ̈ illustrato, per ogni nodo, il tasso medio di invio dei messaggi di HELLO, in una rete utilizzante un procedimento di instradamento link-state OLSR standard (curva A) ed il procedimento link-state perfezionato oggetto dell'invenzione (curva B). Si osserva come il tasso di invio dei messaggi di HELLO sia maggiore nel procedimento oggetto dell'invenzione. Ciò à ̈ dovuto all'informazione di segnalazione aggiuntiva inserita nei messaggi di HELLO, necessaria ad individuare la posizione di ciascun nodo. Si osserva inoltre come, eliminando questa informazione aggiuntiva (curva C), il tasso di invio dei messaggi di HELLO sia minore nel procedimento oggetto dell'invenzione rispetto al procedimento OLSR standard, ciò che à ̈ dovuto alla riduzione dell'area di copertura percepita dai nodi, la quale comporta un numero minore di nodi vicini e, di conseguenza, la creazione di messaggi di HELLO più leggeri. In ultimo, si osserva che il decremento avvenuto eliminando l'informazione sul posizionamento può considerarsi costante per ogni valore di velocità. Questo rappresenta una ulteriore conferma che la quantità di messaggi di HELLO inviati da ciascun nodo non varia con la velocità dei nodi stessi, essendo determinata esclusivamente dall'intervallo di emissione dei messaggi di HELLO.

In figura 11 à ̈ illustrato, per ogni nodo, il tasso medio di invio dei messaggi di TC, in una rete utilizzante un procedimento di instradamento link-state OLSR standard (curva A) ed il procedimento link-state perfezionato oggetto dell'invenzione (curva B). Si osserva come il tasso di invio dei messaggi di TC sia maggiore nel procedimento oggetto dell'invenzione. Ciò à ̈ dovuto alla riduzione dell'area di copertura percepita dai nodi, la quale comporta un maggior numero di salti nelle comunicazioni rispetto al procedimento OLSR standard e, di conseguenza, un maggior numero di nodi (MPR) incaricati di inoltrare i messaggi di TC.

I risultati di simulazione presentati confermano che il procedimento di instradamento oggetto dell'invenzione à ̈ in grado di garantire una riduzione consistente del tasso di perdita di pacchetti e del ritardo nelle comunicazioni vocali rispetto alla versione standard di un procedimento di instradamento OLSR, attraverso l'introduzione di modifiche di ridotta complessità.

Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potrà facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse che non si discostano però dai principi qui esposti, e sono dunque ricomprese nel presente brevetto.

Ciò vale in particolare per quanto riguarda la possibilità di estendere il concetto di distanza limite e regione di copertura percepita per l'ottimizzazione di altri protocolli di instradamento di tipo link-state, differenti dal protocollo OLSR portato ad esempio.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di instradamento delle comunicazioni di pacchetti di dati in una rete di comunicazione wireless comprendente una pluralità di nodi mobili paritetici, basato sullo stato del collegamento tra i nodi della rete, in cui ciascun nodo à ̈ predisposto per inviare periodicamente un messaggio di segnalazione di presenza a nodi vicini per i quali esso si trova in una relativa regione di copertura effettiva, per mezzo del quale ciascun nodo ricevente aggiorna una rispettiva tabella di instradamento delle comunicazioni assegnando un tempo di validità predeterminato al collegamento con il nodo vicino mittente, caratterizzato dal fatto che il procedimento comprende la definizione di una regione di copertura virtuale per ogni nodo della rete, ristretta rispetto alla regione di copertura effettiva, per cui ciascun nodo non tiene conto dei messaggi di segnalazione di presenza provenienti da nodi di comunicazione vicini, esterni alla regione di copertura virtuale.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la definizione di una regione di copertura virtuale comprende, presso ciascun nodo trasmittente, la determinazione di un raggio di trasmissione virtuale, ridotto, dL, calcolato secondo un criterio predeterminato.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui il raggio di trasmissione virtuale, dL, à ̈ calcolato internamente a ciascun nodo secondo l'espressione: dL= r −2 â‹… vmaxâ‹… vtime dove r à ̈ il raggio di trasmissione effettivo del nodo; vmaxà ̈ la velocità massima di spostamento raggiungibile dai nodi della rete; vtime à ̈ il tempo di validità dei collegamenti con i nodi vicini.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui la velocità massima di spostamento raggiungibile dai nodi della rete à ̈ funzione della categoria del dispositivo costituente il nodo di rete.
5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente, per ogni nodo della rete, la propria localizzazione in un sistema di riferimento geografico prestabilito, la localizzazione dei nodi di comunicazione vicini da cui sono ricevuti messaggi di segnalazione di presenza e la determinazione delle loro distanze reali.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui l'informazione di localizzazione di un nodo à ̈ comunicata ai nodi vicini attraverso un messaggio di segnalazione, preferibilmente in un campo dedicato di un messaggio di segnalazione di presenza, ovvero alternativamente attraverso un messaggio di dati.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui, in caso di fallimento nella localizzazione presso un nodo della rete, la regione di copertura virtuale per detto nodo coincide con la regione di copertura effettiva.
8. 8. Terminale di comunicazione mobile atto a formare un nodo di una rete di comunicazione wireless, comprendente mezzi elaboratori predisposti per eseguire un procedimento di instradamento delle comunicazioni di pacchetti di dati verso altri nodi di rete, conformemente ad una propria tabella di routing memorizzata, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7.
9. 9. Rete di comunicazione mobile ad hoc (MANET), priva di una infrastruttura fissa, includente una pluralità di terminali di comunicazione mobili comunicanti tra loro attraverso collegamenti wireless multi-hop secondo un procedimento di instradamento delle comunicazioni di pacchetti di dati basato sullo stato dei collegamenti tra i nodi delle rete, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7.
10. 10. Programma o gruppo di programmi per elaboratore, predisposto/i per essere eseguito/i presso un terminale di comunicazione mobile per l'esecuzione di un procedimento di instradamento delle comunicazioni di pacchetti di dati secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7.