4. Scenario Considerations and Parameters for 6LoWPAN Routing (Considerazioni sugli scenari e parametri per il routing 6LoWPAN)

La tecnologia LoWPAN basata su IP è ancora nelle sue fasi iniziali di sviluppo, ma la gamma di scenari di utilizzo concepibili è enorme. Le numerose possibili applicazioni delle reti di sensori rendono evidente che le topologie mesh saranno prevalenti negli ambienti LoWPAN e il routing robusto sarà una necessità per una comunicazione rapida. Gli sforzi di ricerca nell'area delle reti di sensori hanno prodotto una grande varietà di algoritmi di routing multi-hop [Bulusu]. La maggior parte dei lavori correlati si concentra sull'ottimizzazione del routing per scenari applicativi specifici, che possono (can) essere realizzati utilizzando diverse modalità di comunicazione, incluse le seguenti [Watteyne]:

o Flooding (in reti molto piccole)

o Routing gerarchico (Hierarchical routing)

o Routing geografico (Geographic routing)

o Routing di coordinate auto-organizzante (Self-organizing coordinate routing)

A seconda della topologia di un LoWPAN e dell'applicazione o delle applicazioni in esecuzione su di esso, possono (may) essere utilizzati diversi tipi di routing. Tuttavia, questo documento astrae dalla comunicazione specifica dell'applicazione e descrive i requisiti di routing generali validi per il routing complessivo nei LoWPAN.

I seguenti parametri possono essere utilizzati per descrivere scenari specifici in cui i protocolli di routing candidati potrebbero essere valutati.

a. Proprietà della rete (Network Properties):

Numero di dispositivi, densità e diametro della rete (Number of Devices, Density, and Network Diameter): Questi parametri di solito influenzano direttamente lo stato di routing (ad esempio, il numero di voci in una tabella di routing o lista dei vicini). Specialmente in reti grandi e dense, devono (must) essere applicate politiche per scartare le voci di routing di "bassa qualità" e obsolete al fine di prevenire l'overflow della memoria.
Connettività (Connectivity): A causa di fattori esterni o disconnessioni programmate, un LoWPAN può (can) trovarsi in diversi stati di connettività -- qualsiasi cosa nell'intervallo da "sempre connesso" a "raramente connesso". Ciò pone grandi sfide alla scoperta dinamica di percorsi attraverso un LoWPAN.
Dinamicità (inclusa la mobilità) (Dynamicity, including mobility): I cambiamenti di posizione possono (can) essere indotti da fattori esterni imprevedibili o da movimenti controllati, che a loro volta possono (may) causare cambiamenti di percorso. Inoltre, i nodi possono (may) essere introdotti dinamicamente in un LoWPAN e rimossi da esso in seguito. Lo stato di routing e il volume dei messaggi di controllo possono (may) dipendere fortemente dal numero di nodi in movimento in un LoWPAN e dalla loro velocità, nonché dalla rapidità e frequenza con cui cambiano le caratteristiche ambientali che influenzano la propagazione radio.
Distribuzione (Deployment): In un LoWPAN, è possibile che i nodi siano dispersi casualmente o distribuiti in modo organizzato. La distribuzione può (can) avvenire in una volta sola, o come processo iterativo, che può (may) anche influenzare lo stato di routing.
Distribuzione spaziale di nodi e gateway (Spatial Distribution of Nodes and Gateways): La connettività della rete dipende dalla distribuzione spaziale dei nodi e da altri fattori, come il numero di dispositivi, la densità e la portata di trasmissione. Ad esempio, i nodi possono (can) essere posizionati su una griglia, o situati casualmente in un'area (come può essere modellato da una distribuzione di Poisson bidimensionale), ecc. Assumendo una distribuzione spaziale casuale, è richiesta una media di 7 vicini per nodo per circa il 95% di connettività di rete (sono necessari 10 vicini per nodo per il 99% di connettività) [Kuhn]. Inoltre, se il LoWPAN è connesso ad altre reti tramite nodi infrastrutturali chiamati gateway, il numero e la distribuzione spaziale di questi gateway influenzano la congestione della rete e la velocità di dati disponibile, tra le altre cose.
Modelli di traffico, topologia e applicazioni (Traffic Patterns, Topology, and Applications): Il design di un LoWPAN e i requisiti per la sua applicazione hanno un grande impatto sulla topologia della rete e sul tipo di routing più efficiente da utilizzare. Per diversi modelli di traffico (punto-punto, multipunto-punto, punto-multipunto) e architetture di rete, sono stati sviluppati vari meccanismi di routing, come routing data-centric, event-driven, address-centric e geographic routing.
Classi di servizio (Classes of Service): Per mescolare applicazioni di diversa criticità su un LoWPAN, il supporto di più classi di servizio può (may) essere richiesto nei LoWPAN con risorse limitate e può (may) richiedere una nuova funzionalità del protocollo di routing.
Sicurezza (Security): I LoWPAN possono (may) trasportare informazioni sensibili e richiedere un alto livello di supporto alla sicurezza dove la disponibilità, l'integrità e la riservatezza dei dati sono di primaria rilevanza. I messaggi protetti causano overhead e influenzano il consumo energetico dei protocolli di routing LoWPAN.

b. Parametri dei nodi (Node Parameters):

Velocità di elaborazione e dimensione della memoria (Processing Speed and Memory Size): Questi parametri di base definiscono la dimensione massima dello stato di routing e la massima complessità della sua elaborazione. I nodi LoWPAN possono (may) avere diverse caratteristiche prestazionali, strategie di accodamento e dimensioni del buffer di coda.
Consumo energetico e fonte di alimentazione (Power Consumption and Power Source): Il numero di nodi alimentati a batteria e dalla rete elettrica e le loro posizioni nella topologia creata da essi in un LoWPAN influenzano i protocolli di routing nella loro selezione di percorsi che ottimizzano la durata della rete.
Portata di trasmissione (Transmission Range): Questo parametro influenza il routing. Ad esempio, un'alta portata di trasmissione può (may) causare una rete densa, che a sua volta comporta più vicini diretti di un nodo, maggiore connettività e uno stato di routing più grande.
Modello di traffico (Traffic Pattern): Questo parametro influenza il routing, poiché i nodi fortemente caricati (sia perché sono la fonte di pacchetti da trasmettere sia a causa dell'inoltro) possono (may) contribuire a ritardi di consegna più elevati e possono (may) consumare più energia rispetto ai nodi leggermente caricati. Questo si applica sia ai pacchetti di dati che ai messaggi di controllo del routing.

c. Parametri di collegamento (Link Parameters): Questa sezione discute i parametri di collegamento che si applicano alla modalità legacy IEEE 802.15.4 (cioè, non utilizzando schemi di modulazione migliorati).

Throughput: Il throughput massimo dei dati utente di una trasmissione di dati in massa tra un singolo mittente e un singolo ricevitore attraverso un canale IEEE 802.15.4 2.4 GHz non slottato in condizioni ideali è il seguente [Latre]:
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità inaffidabile: 151.6 kbit/s
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità affidabile: 139.0 kbit/s
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità inaffidabile: 135.6 kbit/s
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità affidabile: 124.4 kbit/s
Il throughput per la banda 915 MHz è il seguente:
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità inaffidabile: 31.1 kbit/s
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità affidabile: 28.6 kbit/s
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità inaffidabile: 27.8 kbit/s
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità affidabile: 25.6 kbit/s
Il throughput per la banda 868 MHz è il seguente:
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità inaffidabile: 15.5 kbit/s
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità affidabile: 14.3 kbit/s
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità inaffidabile: 13.9 kbit/s
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità affidabile: 12.8 kbit/s
Latenza (Latency): Gli intervalli di latenza -- a seconda della dimensione del payload -- di una trasmissione di frame tra un singolo mittente e un singolo ricevitore attraverso un canale IEEE 802.15.4 2.4 GHz non slottato in condizioni ideali sono come mostrato di seguito [Latre]. Per la modalità inaffidabile, viene fornita la latenza effettiva. Per la modalità affidabile, viene fornito il tempo di andata e ritorno, inclusa la trasmissione di un riconoscimento di livello 2:
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità inaffidabile: [1.92 ms, 6.02 ms]
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità affidabile: [2.46 ms, 6.56 ms]
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità inaffidabile: [2.75 ms, 6.02 ms]
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità affidabile: [3.30 ms, 6.56 ms]
Gli intervalli di latenza per la banda 915 MHz sono i seguenti:
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità inaffidabile: [5.85 ms, 29.35 ms]
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità affidabile: [8.35 ms, 31.85 ms]
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità inaffidabile: [8.95 ms, 29.35 ms]
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità affidabile: [11.45 ms, 31.82 ms]
Gli intervalli di latenza per la banda 868 MHz sono i seguenti:
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità inaffidabile: [11.7 ms, 58.7 ms]
- Indirizzi MAC a 16 bit, modalità affidabile: [16.7 ms, 63.7 ms]
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità inaffidabile: [17.9 ms, 58.7 ms]
- Indirizzi MAC a 64 bit, modalità affidabile: [22.9 ms, 63.7 ms]

Si noti che alcuni dei parametri presentati in questa sezione possono essere utilizzati come metriche di valutazione del collegamento o del nodo. Tuttavia, il routing multi-criterio può (may) essere troppo costoso per i nodi 6LoWPAN. Piuttosto, sono disponibili varie metriche a criterio singolo e possono essere selezionate per adattarsi all'ambiente o all'applicazione.