Graph Models of Information Spreading in Wireless Networks

Questa tesi studia le proprieta' strutturali di alcuni modelli a grafo di reti di agenti autonomi che comunicano via radio per completare un prefissato compito. Reti ad hoc, di sensori e veicolari sono forse gli esempi piu' immediati. Lo scopo di questa tesi e caratterizzare la diffusione dell’infor- mazione in questi modelli a grafo di reti wireless, considerata l’importanza di questo processo come primitiva fondamentale per realizzare protocolli piu' complessi. Gli approcci basati su tecniche combinatorie adottati per l’analisi di sistemi distribuiti “classici”, come le reti P2P o i cluster di calcolo, non possono essere estesi alle reti wireless, per varie ragioni: ad esempio a causa dei vincoli fisici che governano il funzionamento di questi sistemi (interferenza sul canale radio, scarse risorse energetiche/computazionali, ecc.) e per il fatto che la topologia della rete puo' essere ignota in fase di progettazione o puo' evolvere nel tempo. Questa tesi suggerisce come sia possibile affrontare tali problemi tramite l’opportuna definizione e l’analisi rigorosa di modelli a grafo (o processi su grafi) che catturino l’evoluzione e il funzionamento delle reti wireless. Mostriamo come sia possibile applicare quest’approccio a due scenari di riferimento. Innanzitutto studiamo una famiglia di grafi random nota come Bluetooth Topology, che ben rappresenta la connettivita' della rete creata dalla fase di device discovery in protocolli simili al Bluetooth, largamente utilizzati nelle reti wireless. Dal punto di vista formale, la Bluetooth Topology generalizza il ben noto modello Random Geometric Graph, introducendovi una selezione distribuita degli archi. Studiamo l’espansione e il diametro di questi grafi, poiche' quantificano la banda e la latenza della rete. Dimostriamo limiti stretti all’espansione e, sfruttando questa caratterizzazione, diamo dei limiti quasi stretti al diametro. I nostri risultati provano che la Bluetooth Topology presenta lo stesso livello globale di connettivita' del Random Geometric Graph, pur richiedendo molti meno link di comunicazione. Graph, pur richiedendo molti meno link di comunicazione. Motivati dal recente crescente interesse verso i sistemi mobili, nella seconda parte della tesi concentriamo la nostra attenzione sulle dinamiche di disseminazione dell’informazione tra agenti che effettuano random walk su una griglia planare e che comunicano su brevi distanze. Questo scenario puo' essere utilizzato per studiare fenomeni come la diffusione di malattie, dove le infezioni sono il risultato di interazioni locali tra gli agenti. Proviamo che, per un sistema sufficientemente sparso, il tempo di broadcast di un messaggio e indipendente dal raggio di trasmissione, dimostrando che esso e' dominato dal tempo necessario affinche' molti agenti si incontrino. I nostri risultati completano l’analisi, apparsa in lavori precedenti, di sistemi densi, dove viceversa vi e' dipendenza del tempo di broadcast dal raggio di trasmissione. Inoltre le nostre tecniche di analisi possono essere estese a modelli di mobilita'-comunicazione simili, suggerendo alcune interessanti linee di ulteriore ricerca.