Enrutamiento jerárquico y mecanismos cross-layer

Motivación

Las ventajas teóricas que brindan las redes móviles ad hoc (MANET) son bien conocidas. Entre estas ventajas cabe destacar la facilidad de configuración y la habilidad de establecer una comunicación entre cualquier nodo de la red sin tener que usar un elemento centralizado. Además, una red ad hoc puede operar de modo aislado o bien estar conectada a una infraestructura de red mayor, como puede ser Internet. En este sentido, se han concebido nuevas aplicaciones prácticas de las redes MANET, como las populares Smart Cities y las predominantes redes de Internet de las Cosas (IoT). Las redes ad hoc son también un elemento considerado en las nuevas redes 5G (5ª Generación).

Estos escenarios de red engloban un conjunto de nodos inalámbricos independientes que pueden comunicarse entre sí y moverse al mismo tiempo. Debido a que no se requiere de infraestructura fija que permita dicha comunicación, los mismos nodos deben cooperar en la tarea de encaminar los paquetes hasta el destino. Para comunicarse con nodos que están fuera del rango de transmisión, los nodos inalámbricos necesitan usar otros nodos intermedios como routers. Por ello, las redes MANET se definen también como redes multi-salto. En este sentido, los protocolos de encaminamiento juegan un papel importante porque son los encargados de descubrir y mantener las rutas de paquetes desde la fuente hasta el destino de una comunicación. De hecho, el proceso de encaminamiento en entornos móviles es todo un reto debido a los posibles cambios en la topología de red y las limitaciones en los recursos existentes (capacidad de procesamiento, ancho de banda de transmisión, capacidad de las baterías, etc.).

Además, las aplicaciones y servicios son cada vez más exigentes en cuanto a ancho de banda y recursos. Por ejemplo, los servicios de vídeo son servicios de los más utilizados hoy en día, cuyo ancho de banda y requisitos de retardo son muy restrictivos. Ofrecer servicios de vídeo en tiempo real no es tarea fácil en redes inalámbricas ad hoc por la dificultad de garantizar una cierta calidad en un medio compartido. Además de esto, debido a la topología dinámica de las redes MANET, los protocolos de encaminamiento son mucho más complejos que los usados tradicionalmente en Internet. En cualquier caso, el objetivo principal de estos protocolos es conseguir rutas eficientes entre los nodos de la red de forma que la información pueda llegar a los nodos destino de forma fiable y en un tiempo acotado.

Además de los protocolos de routing, la transmisión de vídeo puede mejorarse utilizando técnicas cross-layer que tengan en cuenta la movilidad de los nodos y la cobertura. Asimismo, la naturaleza de difusión de las transmisiones inalámbricas puede explotarse para beneficiarse de la diversidad espacial y encaminar o retransmitir paquetes según las condiciones de propagación, e incrementar así la tasa de transmisión en el medio inalámbrico.

De esta forma, a pesar de la dificultad para proveer una estricta Calidad de Servicio (QoS) en aplicaciones de tiempo real sobre redes MANET, queda todavía mucho campo abierto a la investigación para mejorar la transmisión de vídeo tanto a nivel de routing, transporte y aplicación.

Resumen

El encaminamiento jerárquico se presenta como una manera de organizar redes ad hoc de gran tamaño en grupos o clusters para mejorar la eficiencia de la red. Aunque el propio mecanismo de clustering puede aumentar la complejidad y llevar a un incremento en el tráfico de control, los protocolos de encaminamiento pueden aprovechar la estructura jerárquica de forma que la propagación de tráfico de control, en especial en los protocolos proactivos, quede confinada dentro de cada cluster. Además, los nodos pueden organizarse en grupos virtuales para optimizar las comunicaciones y reducir interferencias [1]. Así pues, la red resultante tendrá la capacidad de ser escalable aun cuando el número de nodos se incremente.

Figura 1. Esquema de enrutamiento jerárquico

En un entorno jerárquico, la calidad de servicio puede abordarse a dos niveles: soluciones QoS intra-cluster y soluciones QoS inter-cluster.

  • Intra-cluster. Este tipo de soluciones hace referencia a los mecanismos usados dentro de un mismo cluster como si fuera una red completa. En este sentido, puede añadirse información sobre retardos y ancho de banda de los nodos para mejorar las rutas.

  • Inter-cluster. Entre estas soluciones se incluyen las que involucran a más de un cluster. Un ejemplo podría ser aquella solución en la que cada nodo principal de cluster (cluster head) obtiene una estimación de las pérdidas hacia otros clusters. A partir de esta información, un cluster podría incluir nuevas ritas a otros clusters y balancear la carga de tráfico cuando las pérdidas superen un cierto umbral.

Por otro lado, la movilidad de los nodos dificulta la creación y mantenimiento de las rutas en las redes ad hoc inalámbricas. Existen estrategias oportunistas y mecanismos de retransmisión (ARQ) que proveen ganancias en el throughput de las transmisiones inalámbricas y mejoran la QoS de las transmisiones de vídeo, proveyendo una mejor Calidad de Experiencia (QoE) al usuario. Con este fin, se propone una técnica cross-layer que usa información obtenida de las capas de MAC, routing y de aplicación, cuyo objetivo es incrementar la tasa de entrega de paquetes y, en caso de transmisiones de vídeo, reducir las pérdidas de tramas de vídeo para evitar interrupciones en la reproducción. Este esquema altruista se basa en el hecho de que los nodos vecinos al nodo destino pueden jugar un papel fundamental a la hora de ayudar en la recuperación de paquetes cuando ocurre una ruptura en la ruta.

Asimismo, las redes inalámbricas tienen una característica inherente a la naturaleza inalámbrica del canal que ha sido explotada por los protocolos de encaminamiento oportunistas [2] y cooperativos [3]. Esto implica que los nodos vecinos pueden escuchar paquetes que se están transmitiendo dentro del rango de cobertura, incluso si dichos paquetes no se dirigen a ellos. Este fenómeno se llama Wireless Broadcast Advantage (WBA) [4]. Esta característica de la capa de enlace puede ayudar también al algoritmo de encaminamiento para mejorar el rendimiento de la red y la conectividad. Los nodos vecinos al nodo destino pueden almacenar paquetes de vídeo en una caché que posteriormente pueden resultar útiles en caso de que el nodo destino se mueva fuera de cobertura y la ruta de transmisión cambie. Si esto ocurre, estos nodos vecinos estarán encantados de retransmitir altruistamente esos paquetes que se perdieron durante el cambio de ruta.

Como para muestra, un botón, el siguiente vídeo muestra qué ocurre cuando un nodo destino de una transmisión de vídeo se mueve fuera del rango de cobertura y la ruta desde el nodo fuente cambia. Así, puede comprobarse claramente la diferencia de calidad subjetivamente en los diferentes flujos de vídeo recibidos en uno y otro caso. Asimismo, cabe destacar también la diferencia en las medidas de PSNR (Peak Signal to Noise Ratio).

Vídeo 1. Comparación entre OLSR y el protocolo altruista en redes ad hoc

Referencias

[1]  J. Y. Yu, and P. H. J. Chong, “A survey of clustering schemes for mobile ad hoc networks,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol.7, no.1, pp. 32-48, 2005.
[2] C.-J. Hsu, H.-I. Liu, and W. K. G. Seah, “Opportunistic routing – A review and the challenges ahead,” Computer Networks, vol. 55, no. 15, pp. 3592-3603, Oct. 2011.
[3] X. Huang, H. Zhai, and Y. Fang, “Robust cooperative routing protocol in mobile wireless sensor networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 7, no. 12, pp. 5278-5285, Dec. 2008.
[4] J. E. Wieselthier, G. D. Nguyen, and A. Ephremides, “Algorithms for energy-efficient multicasting in ad hoc wireless networks,” Mobile Networks and Applications, vol. 6, no. 3, pp. 251-263, Jun. 2001.

Publicaciones

[5] P. Arce,  J. C. Guerri, A. Pajares, and O. Lázaro, “Performance evaluation of video streaming over ad-hoc networks using flat and hierarchical routing protocols,” Mobile Networks and Applications (Special Issue on Multimedia over Ad-Hoc and Sensor Networks), vol. 13, pp. 324-336, 2008.
[6] J. C. Guerri, P. Arce, P. Acelas, W. Castellanos, and F. Fraile, “Routing and Coding Enhancements to Improve QoS of Video Transmissions in Future Ad Hoc Networks,” Multimedia Services and Streaming for Mobile Devices: Challenges and Innovations, Ed. IGI Global, pp. 244-261, 2011.
[7] P. Arce, S. González, and J. C. Guerri, “Altruistic Networks: where every node matters,” Recent Advances in Ad Hoc Networks Research, Ed. Nova Science Publishers, pp. 41-68, 2014.
[8] P. Arce, I. de Fez, F. Fraile, S. González, P. Guzmán, and J. C. Guerri, “QoE en redes adhoc, descarga adaptativa de contenidos y vídeo 3D,” in Proc. of Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), Palma de Mallorca (Spain), Oct. 2015, pp. 339-346.
[9] P. Arce and J. C. Guerri, “An altruistic cross-layer recovering mechanism for ad hoc wireless networks,” Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 15, no. 3, pp. 1744-1758, 2015.
[10] W. Castellanos, P. Guzmán, P. Arce, and J. C. Guerri, “Mechanisms for improving the scalable video streaming in mobile ad hoc networks,” in Proc. of ACM Int. Symposium on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks (PE-WASUN), Cancun (Mexico), Nov. 2015, pp. 33-40.