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Mobile Service Provision in Harsh Environments

Panitzek, Kamill :
Mobile Service Provision in Harsh Environments.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mobile Service Provision in Harsh Environments
Language: English
Abstract:

Envision the future disaster recovery worker relying on mobile devices to work in a disaster setting. This recovery worker requires and benefits from a great number of provided services, for instance, to navigate, communicate, and map the environment. However, he faces adverse networking and computing conditions, characterized by the obstructed or destroyed geographical region, the overloaded or destroyed communication infrastructure, and the density and movement of involved recovery workers. We call such surroundings harsh environments.

The present thesis strives to enable recovery workers to consume versatile (cloud) services on top of a resilient communication infrastructure. A service is a software component, i.e., an application, that provides a distinct functionality to accessing users. Thereby, three key challenges have to be faced that also define the three fields of research: (1) improving the resilience of the communication infrastructure, (2) designing a system capable of service provision, and (3) conceiving detailed simulation models and tools to investigate such systems in harsh environments. In each field of research, we contribute and evaluate novel approaches that work together to achieve the main goal of this thesis: mobile service provision in harsh environments.

First, we contribute CityMesh, a resilient emergency communication infrastructure created by interconnecting wireless routers from private households and public institutions found in urban areas. The resulting decentralized mesh network is based on the IEEE 802.11 WLAN standard and outperforms the existing TETRA standard in terms of data throughput, openness, and failure resilience. Furthermore, we present our research methodology to evaluate the feasibility of our concept by collecting data about wireless routers, enhancing the data accuracy using multilateration, and constructing and analyzing CityMesh networks. We show that network topologies in five selected cities rely on router locations specific to the respective city. Furthermore, we demonstrate that private routers are crucial to create a resilient CityMesh network. To realize the CityMesh concept, we propose to install an emergency switch into wireless routers. This switch could be triggered by eligible authorities in case of a disaster.

Second, we present the core contribution of our thesis: the peer-to-peer service overlay concept that fulfills the requirements of harsh environments. To ensure high quality service consumption, the most crucial system components are service discovery (enables service consumers to access a requested service) and service placement (relocates a service in the network topology to increase service quality). Based on simulations, we demonstrate that our conceived hop count placement approach outperforms the state of the art placement approach in terms of consistent service quality for all service consumers. Furthermore, we show that latency is not a suitable quality metric for service placement. We also demonstrate that three state of the art service discovery approaches designed for mobile ad-hoc networks are not capable of handling service mobility introduced by service placement. Moreover, a naive request flooding approach performs best in terms of discovery performance and data traffic efficiency when exposed to peer mobility and frequent service migrations. Finally, we present our real-world experiment setup PeerMoS and contribute four concepts for smooth and efficient service migration.

Third, we contribute our integrated simulation framework DisVis to investigate the effectiveness of communication systems in realistic harsh environments. Especially in disaster recovery scenarios, the movement of recovery workers depends on the terrain, the current disaster situation, the mission strategy of respective recovery workers, and the orders received from the command centers. Hence, DisVis builds upon an OpenStreetMap-based world model and a fine-grained agent-based mobility and communication model. We adjust the rule sets and parameters of our models with results from our survey targeted at experts from first response departments. As opposed to other state of the art mobility simulators, DisVis provides an online interface to connect our framework with state of the art network simulators, such as PeerfactSim.KOM.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Ersthelfer der Zukunft ist ausgestattet mit mobilen Endgeräten und benötigt zahlreiche Dienste für seinen Einsatz, zum Beispiel um im Katastropheneinsatz zu navigieren, mit anderen Ersthelfern zu kommunizieren und um die Umgebung zu kartographieren. Dabei muss er sich jedoch widrigen Kommunikationsbedingungen stellen. Diese werden anhand einer verwüsteten geographischen Region, einer überlasteten oder zerstörten Kommunikationsinfrastruktur und einer hohen Anzahl beteiligter Ersthelfer bzw. ihrer Bewegungen charakterisiert. Solche Umgebungen werden als raue Umgebungen bezeichnet. Die vorliegende Dissertation strebt danach, Ersthelfern über eine robuste Kommunikationsinfrastruktur den Zugriff auf vielseitige (Cloud-)Dienste zu ermöglichen. Ein Dienst ist dabei eine Software-Komponente (eine Applikation), die den Benutzern eine eindeutige Funktionalität bereitstellt. Dabei müssen drei Herausforderungen angegangen werden, die jeweils einen Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit bilden: (1) Erhöhung der Robustheit der Kommunikationsinfrastruktur, (2) Design eines Systems zur Diensterbringung und (3) Entwurf detaillierter Simulationsmodelle und Werkzeuge, um Kommunikationssysteme in rauen Umgebungen zu untersuchen. Zu jedem dieser Forschungsschwerpunkte werden neue Ansätze beigetragen, um einheitlich das übergeordnete Ziel zu erreichen: Die Bereitstellung mobiler Dienste in rauen Umgebungen. Der erste wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation ist das CityMesh-Konzept. Es handelt sich dabei um eine robuste Notfall-Kommunikationsinfrastruktur, die durch das Verbinden von Drahtlosroutern in urbanen Räumen erzeugt wird. Das so entstehende dezentrale Mesh-Netzwerk basiert auf dem IEEE 802.11 WLAN Standard und übertrifft den heute gebräuchlichen TETRA-Standard in Bezug auf Datendurchsatz, Offenheit und Fehlertoleranz. Zur Untersuchen solcher CityMesh-Netze wird eine Forschungsmethodik vorgestellt, die aus dem Sammeln von Daten über Drahtlosrouter, der Datenaufbereitung und dem Erstellen und Analysieren von CityMesh-Netzen besteht. Bei der Untersuchung von CityMesh-Netzen in fünf Großstädten wird gezeigt, dass diese Netzwerktopologien von den Charakteristiken der jeweiligen Städte abhängig sind. Außerdem zeigt diese Dissertation auf, dass private Drahtlosrouter von essentieller Bedeutung sind, um robuste CityMesh-Netze zu erzeugen. Schließlich wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, einen Notfallschalter in Drahtlosrouter zu integrieren. Im Falle einer Katastrophe würde dieser Schalter von einer berechtigten Behörde aktiviert. Der zweite wissenschaftliche Beitrag, der gleichzeitig den Kernbeitrag dieser Dissertation darstellt, ist das Konzept des peer-to-peer service overlay, das die Anforderungen rauer Umgebungen erfüllt. Um hochqualitative Dienste zu gewährleisten, sind die beiden Systemkomponenten Dienstsuche (ermöglicht Benutzern den Zugriff auf Dienste) und Dienstplatzierung (replatziert Dienste in der Netzwerktopologie, um die Dienstqualität zu steigern) von essentieller Bedeutung. Mit Simulationen wird demonstriert, dass der entworfene Platzierungsalgorithmus hop count placement den aktuellen Stand der Forschung in Bezug auf eine konsistente Dienstqualität für alle Benutzer übertrifft. Weiterhin wird gezeigt, dass Latenz keine geeignete Entscheidungsmetrik für die Dienstplatzierung ist. Eine weitere Untersuchung demonstriert, dass moderne Ansätze zur Dienstsuche, die für mobile Ad-hoc-Netzwerke konzipiert wurden, nicht in der Lage sind, die Dienstmobilität zu bewältigen, die durch die Dienstplatzierung verursacht wird. Vielmehr basiert der einzige Ansatz, der unter solchen Bedingungen gute Ergebnisse erbringt, auf dem naiven Fluten von Dienstanfragen. Schließlich wird ein echter Prototyp namens PeerMoS vorgestellt und vier Konzepte beigetragen, um eine reibungslose und effiziente Dienstmigration zu erreichen. Der dritte wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation ist das integrierte Simulationsrahmenwerk namens DisVis. Insbesondere in Katastropheneinsätzen hängt die Bewegung der Ersthelfer von verschiedensten Faktoren ab. Dazu gehören das Gelände, die aktuelle Situation, die Strategie der jeweiligen Rettungskräfte und die empfangen Befehle von der Einsatzzentrale. Daher baut DisVis auf einem OpenStreetMap-basierten Weltmodell und einem agentenbasierten Bewegungs- und Kommunikationsmodell auf. Der Regelsatz und die Parameter dieser Modelle werden durch Umfragen mit Rettungskräften feinjustiert. Im Gegensatz zu etablierten Bewegungssimulatoren definiert DisVis eine Schnittstelle, um moderne Netzwerksimulatoren (z.B. PeerfactSim.KOM) mit dem Rahmenwerk zu verbinden. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Telecooperation
Date Deposited: 30 Sep 2014 06:23
Last Modified: 30 Sep 2014 06:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41580
Referees: Mühlhäuser, Prof. Max and Kangasharju, Prof. Jussi
Refereed: 3 September 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4158
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