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Dependable Routing for Cellular and Ad hoc Networks

Hollick, Matthias :
Dependable Routing for Cellular and Ad hoc Networks.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dependable Routing for Cellular and Ad hoc Networks
Language: English
Abstract:

This dissertation addresses an expedient set of research challenges in the area of cellular and ad hoc networks. In particular, we discuss the dependability—that is, the consistency of performance and behavior—of the routing system within such networks. Our restless, mobile society has inspired diverse fields of research in the area of computer communication networks. The results manifest in recent advances in the area of wireless and mobile communications, with cellular networks being an exemplar of success. Despite the fact of its supremacy in fixed networks, the Internet has not yet caught up in the mobile domain. We argue that next generation networks should overcome the dichotomy between the aforementioned networks and decide to focus our attention to the role of the routing system. We select cellular networks (closed to subscribers and based on infrastructure) and ad hoc networks (open/public and infrastructureless) to represent our objects of research. In Part I of the dissertation, we define the concept of routing dependability and identify the most important characteristics that influence this concept for the aforementioned networking paradigms. A mobility/workload model that captures the macroscopic effects of mobility for metropolitan areas is formulated and instantiated. Our results show that the effects of mobility acting upon the routing system cannot be neglected if we move towards smaller cell sizes and integration of hot spots in cellular systems. To cope with the observed mobility-induced traffic dynamics, we develop and evaluate architectures and algorithms in Part II of our work. In particular, we argue to broaden the scope of the routing domain towards the radio access tier of cellular networks ("smart edge"). In a first step, we break up today’s mainly hierarchically and treestructured cellular networks and introduce a meshed network topology, which adds flexibility to deploy distributed network control mechanisms. A comparative performance analysis of state-of-the-art routing protocols shows the feasibility of such control mechanisms for basic resource management in the surveyed networks. In a second step, a novel system architecture is designed that augments concepts from variable topology networks to cellular architectures. We also develop a routing algorithm to take advantage of the achieved flexibility. As a proof of concept, the algorithm is implemented and a simulation study is performed to obtain deeper insights in the algorithm’s operation. Our results show significant performance gains compared with current state-of-the-art algorithms. Ad hoc networks are effected by mobility as well. Moreover, they are built upon the premise of node cooperation. In Part III of this dissertation, we challenge such cooperation. Therefore, we analytically investigate the effects impaired by node misbehavior and contribute a model of the route acquisition process that includes different classes of node misbehavior. The model is formulated analytically and validated by means of an experimental analysis. Subsequently, an extensive simulation study is conducted to investigate the dependability trade-off between node mobility, routing protocol performance optimizations, and node misbehavior. Our results show clearly the performance degradation of the routing system, leading to network frailty for an increasing number of misbehaving nodes or increasing mobility, respectively.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Dissertation behandelt den Themenkomplex der verlässlichen Kommunikation in Mobilfunknetzen sowie in Ad hoc Netzen. Verlässlichkeit charakterisiert hierbei das konsistente Verhalten hinsichtlich Systemleistung und Systemstabilität. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf dem Routing (Leitwegbestimmung und Paketvermittlung) für die genannten Netzklassen. Die Erforschung von Technologien zur Unterstützung der heutigen, mobilen Gesellschaft hat insbesondere auf dem Kommunikationssektor für Impulse gesorgt. Der erzielte Fortschritt manifestiert sich im Bereich der mobilen und drahtlosen Kommunikation mit dem Paradebeispiel des Mobilfunks, der eine dominierende Rolle einnimmt. Im Gegensatz hierzu kann das Internet die im Festnetzbereich errungene Vormachtstellung nicht auf den mobilen Bereich übertragen. Wir sind der Auffassung, dass die Dichotomie von Internet und Mobilfunk einer kritischer Überprüfung bedarf. In der vorliegenden Arbeit liegt der diesbezügliche Fokus auf Kommunikationsnetzen der nächsten Generation und im Speziellen auf deren Routingsystem. Als Forschungsgegenstand für die weitere Untersuchung wurde die Klasse der zellularen Netze (geschlossene Nutzergruppe und basierend auf Infrastrukturkomponenten) sowie die Klasse der Ad hoc Netze (offene Nutzergruppe und infrastrukturlos) gewählt. Im ersten Teil der Arbeit wird das Konzept der Verlässlichkeit, bezogen auf das Routing in Kommunikationsnetzen (Routing Dependability), definiert. Die herausragenden, sich auf die Verlässlichkeit auswirkenden Charakteristika der betrachteten Netzklassen werden identifiziert. Im Weiteren wird ein Mobilitäts- und Lastmodell formuliert und instanziiert, welches die makroskopischen Effekte von Mobilität in Ballungsgebieten beschreibt. Unter der Arbeitshypothese einer Reduzierung der Zellgrößen sowie einer Integration von drahtlosen Netzzugangspunkten hoher Bandbreite (Hotspots) zeigen die Modellvorhersagen, dass der Einfluss von Mobilität auf das Routingsystem nicht vernachlässigt werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit werden Architekturen und Algorithmen vorgestellt, um die durch die Mobilität hervorgerufenen Lastschwankungen zu kompensieren. Unser Ansatz ist, das Routingsystem über das Kernnetz hinausgehend auf das Funkzugangsnetz zu erweitern. Hierzu werden die existierenden hierarchischen und baumförmigen Netzstrukturen aufgebrochen und durch eine stärker vermaschte Netztopologie ersetzt. Diese neuartige Topologie erhöht die Flexibilität des Netzes und ermöglicht den Einsatz verteilter Routing- und Kontrollmechanismen. Mit Hilfe einer vergleichenden Leistungsbewertung moderner Routingverfahren wird die Anwendbarkeit ausgewählter Strategien zur Ressourcenkontrolle in den untersuchten Netzen gezeigt. Weiterhin erfolgt der Entwurf einer neuartigen Systemarchitektur, die Konzepte aus dem Gebiet variabler Topologien auf zellulare Netze überträgt. Speziell auf die Flexibilität dieser Architektur abgestimmt wird ein Routingverfahren entwickelt und hinsichtlich seiner Funktionsweise überprüft. Die damit in einer Simulationsstudie erzielten Ergebnisse zeigen im Vergleich zu anderen aktuellen Verfahren einen signifikanten Leistungsgewinn. Die Herausforderungen auf dem Gebiet der Mobilität bleiben für die Klasse der Ad hoc Netze bestehen. Gleichzeitig setzt diese Netzklasse eine Kooperation von Netzknoten zwingend voraus. In Teil drei der Dissertation wird diese Kooperation in Frage gestellt. In einem ersten Schritt werden die durch Knotenfehlverhalten induzierten Effekte analytisch betrachtet. Ein theoretisches Modell des Routenfindungsprozesses wird unter Berücksichtigung verschiedener Klassen von Knotenfehlverhalten entwickelt und validiert. In einem zweiten Schritt schließt sich eine umfassende Simulationsstudie an. Untersuchungsgegenstand ist die Leistungsbewertung der Faktoren Mobilität, Optimierte Routingverfahren sowie Knotenfehlverhalten bezüglich der Verlässlichkeit des Routingsystems. Die erzielten Ergebnisse zeigen mit zunehmendem Grad von Fehlverhalten, respektive zunehmender Mobilität, einen signifikanten Leistungsabfall bis hin zum Versagen des Netzes.German
Uncontrolled Keywords: Internet, Dependability, Routing, Ad hoc Network, Cellular Network, Computer Communication Network, Routing Protocol, Security, Quality of Service
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Internet, Dependability, Routing, Ad hoc Network, Cellular Network, Computer Communication Network, Routing Protocol, Security, Quality of ServiceEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000591
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5912
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Nahrstedt, Prof. Ph.D Klara
Advisors: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf
Refereed: 21 December 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/591
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