Exploiting wireless link dynamics

Alizai, Muhammad Hamad; Wehrle, Klaus

doi:31500

Exploiting wireless link dynamics = Ausnutzung der Linkvariabilität in drahtlosen Netzen

Alizai, Muhammad Hamad (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Muhammad Hamad Alizai

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang178 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in engl. u. dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wehrle, Klaus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-03-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39914
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62947/files/3991.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Routing (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Linkvariabilität (frei) ; drahtloses Netz (frei) ; drahtloses Netzwerk (frei) ; kabelloses Netzwerk (frei) ; opportunistisches Routingschema (frei) ; Routingmechanismen (frei) ; wireless sensor networks (frei) ; wireless link dynamics (frei) ; opportunistic routing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
ccs: C.2.2

Kurzfassung
Effiziente und verlässliche Kommunikation ist der Schlüssel, um Multihop-kommunikation wie Sensornetze, Meshnetze und MANETs zu ermöglichen. Im Gegensatz zu kabelgebundenen Netzwerken sind die Kommunikationsverbindungen in kabellosen Netzen hochdynamisch und stellen weitere Herausforderungen dar. Netzwerkprotokolle müssen, neben der Vermittlung von Ende-zu-Ende Pfaden, auf diese Verbindungsvariabilität und die sich daraus ergebenden Änderungen der Netzwerktopologie reagieren. Folglich besteht ein Bedarf an effizienten Mechanismen zur Schätzung von Verbindungsparametern, verlässlichen Routingmechanismen und stabilen Adressierungsschemata, um diese inhärenten Herausforderungen kabelloser Netzwerke anzugehen. Heutige Ansätze verwenden ähnliche Techniken wie kabelgebundene Netzwerke, zum Beispiel die Konstruktion von Bäumen: Verbindungsschätzer identifizieren Nachbarn, die nach einer vorgegebenen Metrik eine konsistent hohe Qualität zeigen. Routingprotokolle beschränken sich bei der Wahl einer Route auf einen einzelnen Pfad zwischen zwei Kommunikationsknoten, in dem sie bei jedem Schritt den nach dem Verbindungsschätzer besten Knoten wählen. Im Gegensatz dazu legen aktuelle Studien opportunistischer Routingschemata nahe, dass traditionelle Routingmechanismen suboptimal arbeiten, da sie Verbindungen mittlerer Qualität, die einen deutlich größeren Pfadfortschritt ermöglichen würden, aussparen. Eine genauere Untersuchung der Verbindungsparameter zeigt, dass diese Verbindungen mittlerer Qualität schubhaft sind, das heißt, dass sich Perioden verlässlicher mit Perioden unzuverlässiger Übertragung abwechseln. In dieser Arbeit werden unkonventionelle aber effiziente Ansätze zur Verbindungsschätzung, zum Routing und zur Adressierung in Multihop-Netzwerken vorgeschlagen, die diese Dynamik in kabellosen Netzwerken für sich nutzen, anstatt sie zum Wohle von Pfadstabilität und Verlässlichkeit einzelner Verbindungen zu ignorieren. Das Ziel ist, Routingperformanzmetriken wie die Zahl der Übertragungen und den Durchsatz zu maximieren, indem man die Schubhaftigkeit kabelloser Verbindungen ausnutzt, während man gleichzeitig die Stabilität und Verlässlichkeit existierender Ansätze erhält. Dieser Arbeit schlägt folgende Erweiterungen und Verbesserungen vor: Erstens wird eine Verbindungsmetrik entwickelt, mit Hilfe derer sich die Schubhaftigkeit von Verbindungen schätzen lässt und diejenigen identifiziert werden können, welche bei jedem Schritt den Pfadfortschritt verbessern können. Zweitens wird eine adaptive Routingerweiterung vorgeschlagen, die eine Miteinbeziehung dieser weitreichenden aber nur schubhaft zur Verfügung stehenden Verbindungen in bestehene Routingmechanismen ermöglicht. Drittens wird ein robustes Adressierungsschema vorgestellt, um Knoten unter dynamischen Netzwerkbedingungen stabile Adressen zuweisen zu können. Zuletzt wurde eine Evaluierungsplattform entwickelt, die es erlaubt, Prototypen über verschiedene Klassen von kabellosen Netzwerken, wie Sensornetze und Meshnetze, hinweg mit einer einzigen Implementierung zu untersuchen. Der Fokus dieser Arbeit liegt primär auf der Netzwerkschicht des Protokollstapels. Obgleich die vorgeschlagenen Ansätze eine breitere Relevanz in kabellosen Netzwerken haben, orientieren sich die Designentscheidungen an Sensornetze, welche für ihre stringenten Herausforderungen bekannt sind. Unsere Evaluation hebt ein Schlüsselergebnis beim Vergleich dieser Arbeit mit dem aktuellen Stand der Technik heraus: Die vorgeschlagenen Metriken identifizieren schubhaft verfügbare Verbindungen mit hoher Genauigkeit, die Routingerweiterungen reduzieren die Zahl der Übertragungen um 40%, und das Adressierungsschema erreicht eine um 3 bis 7-fach stabilere Adressierung selbst unter schwierigen und dynamischen Netzwerkbedingungen.

Efficient and reliable communication is the key to enable multihop wireless networks such as sensornets, meshnets and MANETs. Unlike wired networks, communication links in wireless networks are highly dynamic and pose additional challenges. Network protocols, besides establishing routing paths between two nodes, must overcome link dynamics and the resulting shift in the network topology. Hence, we need to develop efficient link estimation mechanisms, reliable routing algorithms, and stable addressing schemes to overcome these challenges inherent in wireless networks. The prevalent approach today is to use routing techniques similar to those in wired networks, such as tree construction: Link estimators identify neighbors with consistently high quality links based on a certain cost metric. Routing protocols conserve routing to a single path between two communication nodes by choosing the best sequence of nodes at each hop, as identified by the link estimator. In contrast, recent studies on opportunistic routing schemes suggest that traditional routing may not be the best approach in wireless networks because it leaves out a potentially large set of neighbors with intermediate links offering significant routing progress. Fine-grained analysis of link qualities reveals that such intermediate links are bursty, i.e., alternate between reliable and unreliable periods of transmission. We propose unconventional yet efficient approaches of link estimation, routing and addressing in multihop wireless networks to exploit wireless link dynamics instead of bypassing them for the sake of stability and reliability. The goal is to maximize routing performance parameters, such as transmission counts and throughput, by exploiting the burstiness of wireless links while, at the same time, preserving the stability and reliability of the existing mechanisms.The contributions of this dissertation are manifold:• Firstly, we develop relevant link estimation metrics to estimate link burstiness and identify intermediate links that can enhance the routing progress of a packet at each hop.• Secondly, we propose adaptive routing extensions that enable the inclusion of such long-range intermediate links into the routing process.• Thirdly, we devise a resilient addressing scheme to assign stable locations to nodes in challenging network conditions.• Finally, we develop an evaluation platform that allows us to evaluate our prototypes across different classes of wireless networks, such as sensornets and meshnets, using a single implementation.The dissertation primarily focuses on the network layer of the protocol stack. Although the proposed approaches have a broader relevance in the wireless domain, the design choices for our prototypes are tailored to sensornets - a notoriously difficult class of multihop wireless networks. Our evaluation highlights the key achievements of this work when compared to the state-of-the-art: The proposed metrics identify bursty links in the network with high accuracy, the routing extensions reduce the transmission count in the network by up to 40%, and the addressing scheme achieves 3-7 times more stable addressing even under challenging network conditions.

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