Energy - efficient networking in wireless ad hoc networks

Abstract

Wireless multi-hop ad hoc networks are self-organizing networks that can be spontaneously deployed without any need of fixed infrastructure. In order to enable communication, network nodes share their resources to store and forward other nodes' data packets. However, the current hardware technology significantly limits the battery power network nodes run on. As a result, designing energy-efficient networking algorithms is of paramount importance for the viability of this type of networks. In the present thesis, we study networking algorithms that rely on packet redundancy to provide fair communication. This approach can significantly increase the number of transmissions and have a severe impact on the energy efficiency. Our main goal is to devise novel algorithms that efficiently handle packet redundancy in order to reduce the related energy costs without compromising the overall performance. We focus on two well-known fields; broadcasting in mobile ad hoc networks (MANETs) and routing in opportunistic networks (OppNets). In the first part, we examine energy-efficient broadcasting in MANETs. The latest trend in this field combines traditional broadcast schemes with network coding. Besides enhancing the energy efficiency through the reduction of transmissions, this synergy also increases the resilience to loss and improves security. Initially, we focus on XOR-based broadcasting and reveal cases where the well-established approach suffers performance breakdowns. We attribute this behavior to an essential component of the underlying broadcast algorithm that is inherently incompatible with network coding. To tackle the problem, we introduce a novel coding-friendly broadcast algorithm. Furthermore, for the first time, we use XOR coding as a mechanism not only for enhancing energy efficiency but also for reducing the end-to-end-delay. Through extensive simulations, we demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm on improving the energy efficiency, delivery delay and utilization of network resources. Then, we focus on RLNC-based broadcasting and introduce an analytical model that captures the performance of coding-based broadcast schemes. We observe that the traditional approach to combine RLNC and probabilistic forwarding significantly impacts the performance of RLNC. To this end, we design a novel RLNC-based broadcast algorithm that for the first time applies RLNC over CDS-based broadcasting. The proposed algorithm provides a more systematic pruning of redundant transmissions without compromising RLNC's efficiency. We also investigate the generation management that is a key issue in RLNC and introduce a new distributed scheme that is suitable for mobile environments. Finally, through extensive simulations, we show that the proposed algorithm outperforms XOR-based as well as RLNC-based schemes even when global knowledge is used for managing packet generations. In the second part of the thesis, we investigate energy-efficient routing in OppNets. The prominent routing strategy in coping with intermittent connectivity of this type of networks is packet replication. Although this strategy maximizes the delivery efficiency, it can lead to the creation of an excessive number of replicas thus exhausting the limited energy resources of the network nodes. We introduce a simple yet efficient method which allows nodes to share information about the replication process in order to avoid unnecessary replication. The proposed approach comes at negligible cost and significantly increases the energy efficiency without sacrificing delivery rate. At the same time, our solution is generic in the sense that it can be implemented regardless of the utility metric used for making replication decisions. Additionally, we provide a lightweight extension based on Bloom filters that further improves the energy efficiency. In contrast to state-of-the-art, the proposed extension allows non-carrier nodes to play a more active role in the replication process and deny receiving redundant packet replicas. We validate the performance gains of our solutions through analysis as well as extensive simulations. Finally, we examine some interesting topics that lie within the context of efficient routing in OppNets. These involve the implementation of an event-driven simulator for OppNets, the development of a paradigm for constructing large-scale synthetic trace from real ones and the design of a congestion control algorithm that provides an effective trade-off between fairness and performance.

Τα ασύρματα αδόμητα δίκτυα είναι δίκτυα με τη δυνατότητα αυτό-οργάνωσης που μπορούν να δημιουργηθούν αυθόρμητα χωρίς την ανάγκη ύπαρξης κάποιας δικτυακής υποδομής. Η λειτουργία των δικτύων αυτών στηρίζεται στην από κοινού χρήση των πόρων και στην υποχρέωση κάθε κόμβου να αποθηκεύει και να προωθεί δεδομένα από άλλους κόμβους του δικτύου. Ωστόσο, ακόμα και σήμερα υπάρχουν σημαντικοί περιορισμοί στην ενέργεια που είναι διαθέσιμη σε κάθε ένα από τα φορητά τερματικά που απαρτίζουν το δίκτυο. Συνεπώς, η σχεδίαση ενεργειακά αποδοτικών πρωτοκόλλων δικτύωσης είναι ιδιαίτερης σημασίας για τα δίκτυα αυτά. Στη διατριβή αυτή εξετάζουμε δικτυακούς αλγόριθμους που χρησιμοποιούν πολλαπλά αντίγραφα ενός μηνύματος. Οι αλγόριθμοι αυτοί παρότι είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί ως προς την ικανότητα να παραδίδουν την πληροφορία, έχουν σημαντικό ενεργειακό κόστος λόγω της ανάγκης για μεγάλο πλήθος μεταδόσεων. Στόχος είναι η σχεδίαση αλγόριθμων που έχουν χαμηλότερο ενεργειακό κόστος χωρίς ωστόσο αυτό να μεταφράζεται σε μειωμένη αποδοτικότητα. Εστιάζουμε σε δύο σημαντικές κατηγορίες δικτύων: τα κινητά αδόμητα δίκτυα (mobile ad hoc networks) και τα οπορτουνιστικά δίκτυα (opportunistic networks). Στο πρώτο μέρος της διατριβής εξετάζουμε την ενεργειακή απόδοση των αλγόριθμων ευρείας εκπομπής (broadcasting) σε κινητά αδόμητα δίκτυα. Η τρέχουσα τάση στο πεδίο αυτό συνδυάζει παραδοσιακούς αλγόριθμους ευρείας εκπομπής με την κωδικοποίηση δικτύου (network coding). Η συνέργεια αυτή αφενός μπορεί να μειώσει το ενεργειακό κόστος, αφετέρου αυξάνει την ασφάλεια καθώς και την προστασία από σφάλματα μετάδοσης. Αρχικά εστιάζουμε στην κατηγορία αλγορίθμων ευρείας εκπομπής με κωδικοποίηση XOR (XOR-based coding). Παρά το γεγονός ότι οι αλγόριθμοι αυτής της κατηγορίας είναι ευρέως διαδεδομένοι, δείχνουμε ότι αποτυγχάνουν σε συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας του δικτύου. Αυτό οφείλεται στο ότι βασικοί μηχανισμοί της ευρείας εκπομπής είναι από τη φύση τους μη συμβατοί με την κωδικοποίηση XOR. Για το λόγο αυτό προτείνουμε τροποποιήσεις που αποκαθιστούν τη συμβατότητα μεταξύ της παραδοσιακής ευρείας εκπομπής και της κωδικοποίησης XOR. Επιπλέον, για πρώτη φορά, χρησιμοποιούμε την κωδικοποίηση XOR όχι μόνο για να μειώσουμε το ενεργειακό κόστος αλλά και για να βελτιώσουμε την καθυστέρηση. Στη συνέχεια, εστιάζουμε στην ευρεία εκπομπή με τυχαία γραμμική κωδικοποίηση δικτύου (random linear network coding - RLNC). Παρατηρούμε ότι στη σχετική βιβλιογραφία η κωδικοποίηση RLNC συνδυάζεται με πιθανοτικές μεθόδους προώθησης. Ωστόσο, δείχνουμε αναλυτικά ότι η πιθανοτική προώθηση μηνυμάτων είναι επιβλαβής για τη λειτουργία της κωδικοποίησης RLNC. Για το λόγο αυτό η προσέγγισή μας είναι να αντικαταστήσουμε την πιθανοτική προώθηση με μια ντετερμινιστική προσέγγιση που στηρίζεται στην κατασκευή ενός συνεκτικού κυρίαρχου συνόλου. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε για πρώτη φορά μια πιο συστηματική μείωση των διπλότυπων στο δίκτυο και δείχνουμε ότι αυτό δεν επηρεάζει με αρνητικό τρόπο τη λειτουργία της κωδικοποίησης RLNC. Επιπλέον, εξετάσουμε θέματα κατανεμημένης υλοποίησης της κωδικοποίησης RLNC που είναι ιδιαίτερα σημαντικά για δίκτυα κινητών κόμβων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζουμε την ενεργειακή απόδοση των αλγορίθμων δρομολόγησης (routing) σε οπορτουνιστικά δίκτυα. Βασικό χαρακτηριστικό των δικτύων αυτών είναι η διακοπτόμενη συνδεσιμότητα μεταξύ των κόμβων. Η επικρατούσα στρατηγική δρομολόγησης σε αυτή την κατηγορία βασίζεται στην χρήση πολλαπλών αντιτύπων ενός μηνύματος. Ωστόσο, η προσέγγιση αυτή έχει σημαντικό αντίκτυπο στους περιορισμένους πόρους των κόμβων και κυρίως στα αποθέματα ενέργειας. Προκειμένου να βελτιώσουμε την εξοικονόμηση ενέργειας παρουσιάζουμε ένα νέο αλγόριθμο δρομολόγησης που στοχεύει στην ευέλικτη διαχείριση των αντιτύπων κατά μήκος του δικτύου. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος αξιοποιεί τις επαναλαμβανόμενες επαφές μεταξύ των κόμβων που διατηρούν αντίτυπα για να συγχρονίσει την εικόνα τους σχετικά με την κατάσταση της δρομολόγησης. Η πληροφορία αυτή βελτιώνει σημαντικά τις αποφάσεις δρομολόγησης αποφεύγοντας τη δημιουργία περιττών αντιτύπων. Επιπλέον, για πρώτη φορά, δείχνουμε ότι μπορούν να αξιοποιηθούν κατά τη δρομολόγηση οι κόμβοι που δεν έχουν λάβει κάποιο αντίτυπο. Σχεδιάζουμε κατάλληλους μηχανισμούς που επιτρέπουν στους κόμβους αυτούς να αναγνωρίζουν πακέτα για τα οποία κρίθηκαν ακατάλληλοι στο παρελθόν και να ακυρώνουν τη δημιουργία περιττών αντιτύπων.