Controlling the mobility and enhancing the performance of multiple message ferries in delay tolerant networks

Harounabadi, Mehdi GND

In einem drahtlosen Netzwerk mit isolierten und stationären Knoten können Adhoc und verzögerungstolerante Netzwerk Routing-Protokolle nicht verwendet werden. Message Ferry Netzwerke sind die Lösung für diese Fälle, in denen ein (oder mehrere) Message Ferry Knoten den store-carry-forward Mechanismus verwendet und zwischen den Knoten reist, um Nachrichten auszutauschen. In diesem Fall erfahren die Nachrichten für gewöhnlich eine lange Verzögerung. Um die Performance der Message Ferry Netzwerke zu verbessern, kann die Mobilität der Message Ferry Knoten gesteuert werden. In dieser Doktorarbeit werden zwei Strategien zur Steuerung der Mobilität der Message Ferry Knoten studiert. Die Strategien sind das on-the-fly Entscheidungsverfahren in Ferry Knoten und die offline Wegplanung für Ferry Knoten. Für die on-the-fly Strategie untersucht diese Arbeit Decision-maker in Ferry Knoten, der die Entscheidung auf Grundlage der lokalen Observation eines Ferry Knoten trifft. Zur Koordinierung mehrerer Ferry Knoten, die keine globale Kenntnis über das Netzwerk haben, wird eine indirekte Signalisierung zwischen Ferry Knoten vorgeschlagen. Zur Kooperation der Ferry Knoten für die Zustellung der Nachrichten werden einige Ansätze zum Nachrichtenaustausch zwischen Ferry Knoten vorgeschlagen, in denen der Decision-maker eines Ferry Knotens seine Information mit dem verzögerungstoleranten Router des Ferry Knoten teilt, um die Effizienz des Nachrichtenaustauschs zwischen Ferry Knoten zu verbessern. Umfangreiche Simulationsstudien werden zur Untersuchung der vorgeschlagenen Ansätze und des Einflusses verschiedener Nachrichtenverkehrsszenarien vorgenommen. Außerdem werden verschiedene Szenarien mit unterschiedlicher Anzahl von Ferry Knoten, verschiedener Geschwindigkeit der Ferry Knoten und verschiedener Ansätze zum Nachrichtenaustausch zwischen Ferry Knoten studiert. Zur Evaluierung der offline Wegplanungsstrategie wird das Problem als Multiple Traveling Salesmen Problem (mTSP) modelliert und ein genetischer Algorithmus zur Approximation der Lösung verwendet. Es werden verschiedene Netzwerkarchitekturen zur Pfadplanung der Ferry Knoten vorgestellt und studiert. Schließlich werden die Strategien zur Steuerung der Mobilität der Ferry Knoten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Performance der Strategien in Bezug auf die Ende-zu-Ende-Verzögerung von dem Szenario des Nachrichtenverkehrs abhängt. In Szenarien, wie Nachrichtenverkehr in Sensor-Netzwerken, in denen ein Knoten die Nachrichten zu allen anderen Knoten sendet oder von allen anderen Knoten empfängt, zeigt die offline Wegplanung, basierend auf der mTSP Lösung, bessere Performance als die on-the-fly Strategie. Andererseits ist die on-the-fly Stratgie eine bessere Wahl in Szenarien wie Nachrichtenaustausch zwischen Rettungskräften während einer Katastrophe, in denen alle drahtlose Knoten die Nachrichten austauschen müssen. Zudem ist die on-the-fly Strategie flexibler, robuster als offline Wegplanung und benötigt keine Initialisierungszeit.

In a wireless network with isolated and stationary nodes, ad hoc and delay tolerant routing approaches fail to deliver messages. Message ferry networks are the solution for such networks where one or multiple mobile nodes, i.e. message ferry, apply the store-carry-forward mechanism and travel between nodes to exchange their messages. Messages usually experience a long delivery delay in this type of network. To improve the performance of message ferry networks, the mobility of ferries can be controlled. In this thesis, two main strategies to control mobility of multiple message ferries are studied. The strategies are the on-the-fly mobility decision making in ferries and the offline path planning for ferries. To apply the on-the-fly strategy, this work proposes a decision maker in ferries which makes mobility decisions based on the local observations of ferries. To coordinate multiple ferries, which have no global view from the network, an indirect signaling of ferries is proposed. For cooperation of ferries in message delivery, message forwarding and replication schemes are proposed where the mobility decision maker shares its information with the delay tolerant router of ferries to improve the efficiency of message exchange between ferries.
An extensive simulation study is performed to investigate the performance of the proposed schemes and the impact of different traffic scenarios in a network. Moreover, different scenarios with different number of ferries, different speed of ferries and different message exchange approaches between ferries are studied.
To study the offline path planning strategy, the problem is modeled as multiple traveling salesmen problem (mTSP) and a genetic algorithm is applied to approximate the solution. Different network architectures are proposed and studied where the path of ferries are planned in advance. Finally, the strategies to control the mobility of ferries are compared. The results show that the performance of each strategy, in terms of the average end-to-end delay of messages, depends on the traffic scenario in a network. In traffic scenarios same as the traffic in sensor networks, where only a single node generates messages to all nodes or receives messages from all node, the offline path planning based on mTSP solution performs better than the on-the-fly decision making. On the other hand, in traffic scenarios same as the traffic in disaster scenarios, where all nodes in a network may send and receive messages, the on-the-fly decision making provides a better performance. Moreover, the on-thy-fly decision making is always more flexible, more robust and does not need any initialization time.

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