Methodologies for effective self-adaptive decisions in routing, signaling, cooperation, and other operations in diverse mobile networks

Abstract

The rapid deployment of the Mobile Ad Hoc Networks features topologies that are frequently associated with highly variable network density and mobility conditions. For these networks, the provision of fundamental networking functions (such as self-organization or routing) becomes a difficult task, because the network nodes must take decisions based on several sources of context, related to the local environment and to the characteristics of individual neighbor nodes (e.g., their position, velocity, energy resources, cooperation status, etc).The thesis fills this gap, by introducing quantities expressed in terms of time, that appropriately “translate” the environmental conditions and nodal characteristics (which may be appropriately adjusted, to also reflect cooperation or other social aspects) in a form suitable for taking the decision in question. To accommodate this, the thesis develops a novel and suitable notion in the context of routing, which is the “retaining time”, namely the time that a node holds a message before forwarding it. This notion of time has been successfully exploited towards dynamically self-adjustable routing in diverse mobile topologies by the proposed MAD (Maximum Advance Decision) protocol.The retaining time is a particular instance of the more general notion of “Decision-Related Event Occurrence Time” (DREOT), which refers to the time duration up to the occurrence of an event linked to the decision. The thesis contributes novel probabilistic reasoning methodology and results for DREOT calculations, which are applicable beyond a particular protocol or mobility model. Furthermore, these abstract DREOT-related techniques are employed towards model-based calculations for the value of the retaining time.Another important complementary issue is the operational aspect of the signaling required for a realistic implementation of the routing protocol. Towards this end, the thesis studies relevant on-demand beaconing techniques and suggesting a generic analysis and policies for information exchange between the involved nodes.Finally, all these aspects are compared and verified through a rich set of numerical and simulation results. These demonstrate the efficient and effective nature of the proposed techniques and notions and provide additional useful insights and guidelines as to how the decision policy of different operations can self-adapt in diverse mobile environments.

Η ραγδαία ανάπτυξη των σύγχρονων κατά περίπτωση κινητών δικτύων αναδεικνύει τοπολογίες που συχνά σχετίζονται με έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες πυκνότητας και κινητικότητας. Για αυτά τα δίκτυα, η παροχή θεμελιωδών δικτυακών λειτουργιών (π.χ. αυτο-οργάνωση, δρομολόγηση κ.ά.) αποτελούν δύσκολο στόχο, επειδή οι κόμβοι καλούνται να λαμβάνουν αποφάσεις βασισμένοι σε αρκετές πηγές, σχετιζόμενες με το τοπικό περιβάλλον τους καθώς και με τα χαρακτηριστικά των γειτόνων τους (π.χ. θέση, ταχύτητα, ενεργειακοί πόροι, επίπεδο συνεργατικότητας κ.ά.).Η διδακτορική διατριβή καλύπτει αυτό το κενό, εισάγοντας ποσότητες εκφρασμένες σε μορφή χρόνου, οι οποίες «μετατρέπουν» κατάλληλα τις συνθήκες του περιβάλλοντος και τα χαρακτηριστικά των κόμβων (που μπορούν να οριστούν με κατάλληλο τρόπο ώστε να συλλαμβάνουν και άλλα κοινωνικά ζητήματα) σε μορφή τέτοια ώστε να βοηθούν στη λήψη των εν λόγω αποφάσεων. Για το σκοπό αυτό, διατυπώνεται η καινοτόμος έννοια του «χρόνου διακράτησης» που αναφέρεται στο χρόνο που ένας κόμβος κατέχει ένα μήνυμα προτού το προωθήσει και χρησιμοποιείται με σκοπό τη δυναμική αυτο-προσαρμοσμένη δρομολόγηση σε μεταβαλλόμενες τοπολογίες μέσω του προτεινόμενου πρωτοκόλλου “MAD”.Ο χρόνος διακράτησης είναι ειδική περίπτωση μίας γενικότερης έννοιας, συνδεδεμένης με τις χρονικές στιγμές που συμβαίνουν γεγονότα σχετιζόμενα με την απόφαση (“Decision-Related Event Occurrence Time”-DREOT). Η διατριβή συνεισφέρει καινοτόμες τεχνικές θεωρίας πιθανοτήτων και αποτελέσματα χρήσιμα για τους σχετικούς υπολογισμούς και που είναι ευρέως εφαρμόσιμα, ανεξάρτητα από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου ή μοντέλου κίνησης. Τα αποτελέσματα για τα DREOT χρησιμοποιούνται επίσης στη μοντελοποίηση και τον υπολογισμό του χρόνου διακράτησης.Ένα σημαντικό συμπληρωματικό ζήτημα είναι το θέμα της σηματοδοσίας που απαιτείται για μία ρεαλιστική υλοποίηση του πρωτοκόλλου δρομολόγησης. Η διατριβή μελετά τεχνικές σηματοδοσίας στις οποίες η πληροφορία συλλέγεται όταν απαιτηθεί για χρήση, προτείνοντας μία γενικευμένη ανάλυση και πολιτικές για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των εμπλεκομένων κόμβων.Τέλος, για όλα τα ζητήματα της διατριβής παρέχεται ένα ευρύ σύνολο αριθμητικών αποτελεσμάτων και προσομοιώσεων. Αυτά αποδεικνύουν την αποδοτική και αποτελεσματική φύση των προτεινόμενων τεχνικών και εννοιών και παρέχουν κατευθύνσεις για τον τρόπο που οι πολιτικές αποφάσεων διαφορετικών λειτουργιών είναι ικανές να αυτό-προσαρμόζονται σε μεταβλητά περιβάλλοντα.