Energy-Efficient Data Forwarding by Exploiting Mobility for Mobile Ad Hoc Networks

Abstract

지난 몇 년 동안 단 거리 무선 통신과 함께 지능적인 장치들의 폭발적인 출현으로 인해 Mobile Ad Hoc Networks (MANETs)과 관련된 라우팅 기법들에 대한 연구가 활발히 진행된 바 있다. 하지만, MANETs에서는 잦은 통신 두절, 드문 네트워크 밀도, 제한된 에너지 용량 같은 문제점들이 발생하는 역동적인 네트워크 환경의 특성으로, 기존의 종단간 기반 라우팅 기법들을 적용하기에는 충분히 강력하지 않다. 또한 모바일 노드는 에너지 제한적이기 때문에, 에너지 효율성에 중점을 둔 라우팅 기법들은 MANETs의 다중 홉 측면에서 매우 중요한 본질적인 요소이다. 본 논문에서는 두 가지 에너지 효율적인 라우팅 프로토콜을 제안한다. 첫 번째는, 통신 두절 허용 네트워크 환경에서 사회적 이동 패턴 특성을 이용한 모바일 송신 노드로부터 모바일 목적지 노드까지의 데이터 전달 기법이고 두 번째는 차량 애드혹 네트워크 환경에서 차량의 예측 이동성을 이용한 방향성 있는 데이터 전달 기법이다. 첫 번째 연구에서는 전달 경로의 일부이며 일시적인 데이터 저장소로 사용되는 산발적인 네트워크 장치들을 이용하면서, 모바일 노드에서 정적 노드, 정적 노드에서 모바일 노드를 포함하는 가장 효율적인 전달자 경로를 도출한다. 정적 노드에서 모바일 노드로의 전송에는 "운송 및 전달" ("carry-and-forward") 기법을 적용하였으며 모바일 노드에서 정적 노드로의 전송에서는 "저장 및 전달" ("store-and-forward") 기법을 적용하여 데이터 전달률과 패킷 지연 성능을 높이도록 하였다. 모든 적절한 모바일 전달자들뿐만 아니라 그들 사이에서 징검다리로 사용되는 정적 노드들을 포함하는 최적의 전달 경로를 찾는 최적화 문제로 수립하였다. 두 가지 중요 서비스 품질 요소인 패킷 전달률과 패킷 기한을 고려하여 중요 전달자 선택 문제를 mixed-integer linear program(MILP) 기법을 이용하여 해당 문제를 풀었으며, 실제 데이터 자료를 기반으로 대응 기준과 비교하여 라우팅 비용과 패킷 전송 시간으로 알고리즘을 검증하였다. 또한 두 번째 연구에서는 예측 이동성을 이용한 방향성 있는 데이터 전달 라우팅 기법을 제안한다. 예측 방향을 목적지로 향하게 하기 위하여 좌표 기반의 확률적 분포도인 Potential field 방법론을 포함시켰다. 본 연구에서는 모든 적절한 차량 노드들을 그들의 예측 방향을 기반으로 최적의 전달자들을 선택하는 것을 목적으로 한다. 제안된 알고리즘을 수정된 flooding 기법과 비교하여 라우팅의 성공률과 전달 비용 측면에서 실제 데이터 자료를 기반으로 알고리즘의 성능을 분석하였다.;The explosive appearance of intelligent devices using short range wireless communication has encouraged the advance of routing techniques related to Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) during the last few years. However, existing end-to-end routing protocols implemented for MANETs are not sufficiently powerful in these dynamic networks having trouble with insecure link quality, low density and limited energy capacity. Since mobile nodes are energy-constrained, designing energy-efficient routing protocols becomes an essential aspect of multi-hop MANETs. The objective of this thesis is to present two energy-efficient routing protocols: 1) Social-aware data forwarding scheme from a mobile source to a mobile destination in disruption tolerant networks and 2) Directional data forwarding protocol based on vehicle’s predictive mobility in vehicular ad hoc networks. By incorporating any scattered network devices as temporal data storage for forwarding into parts of forwarding path, we aim to find the most effective relay path consisting of mobile-to-stationary and stationary-to-mobile relays in the first research. We combine the "carry-and-forward" scheme for stationary-to-mobile transmission with the “store-and-forward” for mobile-to-stationary transmission for improving both delivery rate and packet delay performance. We formulate this relay selection problem into a mixed-integer linear program, considering two crucial QoS constraints of packet delivery rate and deadline. We find the optimal forwarding path of all relevant mobile relays as well as their corresponding stationary nodes as bridges between mobile relays. We validate our algorithm based on a real-world dataset in terms of routing cost and packet transmission time compared to a baseline counterpart. We also propose a directional forwarding protocol to deliver the data packets by utilizing predictive mobility in the second research. We incorporate the potential field methodology to force the predicted direction to head for destinations. We select the optimal relays of all suitable vehicle nodes based on their predicted directions. We evaluate our algorithm based on a real-world dataset in terms of end-to-end delivery ratio and delivery cost compared to a modified flooding scheme.