Entwicklung von TDMA-basierten QoS-Routing-Protokollen und Simulationskomponenten für Ad-Hoc-Netze

A. Igel

Dissertation, Fachbereich Informatik, Technische Universität Kaiserslautern, 2016

Abstract

Ad-Hoc-Netze sind selbstorganisierende Netze ohne zentrale Infrastruktur, die heutzutage in vielen Bereichen Verwendung finden. Sie bestehen aus drahtlosen Knoten, die zur Erfüllung ihrer Aufgaben miteinander kommunizieren. Jedoch befinden sich nicht notwendigerweise alle Knoten in Reichweite zueinander. Damit entfernte Knoten einander erreichen können, werden Routingverfahren benötigt. Die Etablierung einer beliebigen Route ist jedoch oft nicht ausreichend, denn viele Anwendungen stellen spezielle Dienstgüteanforderungen (QoS-Anforderungen) an die Verbindung, beispielsweise die Gewährleistung einer Mindestbandbreite. Um diese QoS-Anforderungen erfüllen zu können, werden sie bereits bei der Ermittlung einer Route berücksichtigt, und die benötigten Ressourcen werden entlang der Route reserviert. Dazu dienen QoS-Routing- und Reservierungsprotokolle.

In dieser Arbeit wird zunächst der Aspekt der deterministischen Reservierung von Bandbreite in Form von konkreten Zeitslots einer TDMA-basierten MAC-Schicht betrachtet. Da sich die Übertragungen verschiedener Knoten in drahtlosen Netzen gegenseitig stören können, wurde ein Interferenzmodell entwickelt. Dieses identifiziert Bedingungen, unter denen Zeitslots innerhalb eines Netzes für mehr als eine Übertragung verwendet werden können. Zudem definiert es durch Aggregation der Informationen anderer Knoten Möglichkeiten zur Ermittlung der benötigten Informationen, um zu entscheiden, welche Zeitslots für eine störungsfreie Übertragung verwendet werden können.

Weiterhin werden existierende QoS-Routing- und Reservierungsprotokolle auf inhärente Probleme untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Protokollen liegt, die deterministische Reservierungen von Zeitslots vornehmen. In diese Kategorie fällt auch das im Rahmen der Arbeit entwickelte Protokoll RBBQR, dessen Hauptziel darin besteht, die identifizierten Probleme zu eliminieren. Ferner wird das ebenfalls zu dieser Kategorie gehörende Protokoll QMRP beschrieben, welches zentralisiert Multicast-Routen inklusive der zugehörigen Reservierungen in teilstationären Netzen ermittelt.

Ein weiterer Bestandteil der Arbeit behandelt die Entwicklung von Simulationskomponenten, welche beispielsweise zur Evaluation von QoS-Routing- und Reservierungsprotokollen genutzt werden können. Das existierende Simulationsframework FERAL wurde um eine Komponente erweitert, die die Verwendung von Kommunikationstechnologien des Netzwerksimulators ns-3 ermöglicht. Weiterhin wurde ein Modul zur Simulation eines CC2420-Transceivers entwickelt, welches in eigenständigen ns-3-Simulationen und in Simulationen mit FERAL verwendet werden kann.

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