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Silence is golden: reactive local topology control and geographic routing in wireless ad hoc and sensor networks

  • Reactive local algorithms are distributed algorithms which suit the needs of battery-powered, large-scale wireless ad hoc and sensor networks particularly well. By avoiding both unnecessary wireless transmissions and proactive maintenance of neighborhood tables (i.e., beaconing), such algorithms minimize communication load and overhead, and scale well with increasing network size. This way, resources such as bandwidth and energy are saved, and the probability of message collisions is reduced, which leads to an increase in the packet reception ratio and a decrease of latencies. Currently, the two main application areas of this algorithm type are geographic routing and topology control, in particular the construction of a node's adjacency in a connected, planar representation of the network graph. Geographic routing enables wireless multi-hop communication in the absence of any network infrastructure, based on geographic node positions. The construction of planar topologies is a requirement for efficient, local solutions for a variety of algorithmic problems. This thesis contributes to reactive algorithm research in two ways, on an abstract level, as well as by the introduction of novel algorithms: For the very first time, reactive algorithms are considered as a whole and as an individual research area. A comprehensive survey of the literature is given which lists and classifies known algorithms, techniques, and application domains. Moreover, the mathematical concept of O- and Omega-reactive local topology control is introduced. This concept unambiguously distinguishes reactive from conventional, beacon-based, topology control algorithms, serves as a taxonomy for existing and prospective algorithms of this kind, and facilitates in-depth investigations of the principal power of the reactive approach, beyond analysis of concrete algorithms. Novel reactive local topology control and geographic routing algorithms are introduced under both the unit disk and quasi unit disk graph model. These algorithms compute a node's local view on connected, planar, constant stretch Euclidean and topological spanners of the underlying network graph and route messages reactively on these spanners while guaranteeing the messages' delivery. All previously known algorithms are either not reactive, or do not provide constant Euclidean and topological stretch properties. A particularly important partial result of this work is that the partial Delaunay triangulation (PDT) is a constant stretch Euclidean spanner for the unit disk graph. To conclude, this thesis provides a basis for structured and substantial research in this field and shows the reactive approach to be a powerful tool for algorithm design in wireless ad hoc and sensor networking.
  • Reaktiv lokale Algorithmen sind verteilte Algorithmen, die den Anforderungen großer, batteriebetriebener, Drahtloser Ad Hoc und Sensornetzwerke im besonderen Maße gerecht werden. Durch Vermeidung überflüssiger Nachrichtenübertragungen sowie Verzicht auf proaktive Ermittlung von Nachbarschaftstabellen (d.h. beaconing) minimieren solche Algorithmen den Kommunikationsaufwand und skalieren gut bei wachsender Netzgröße. Auf diese Weise werden Ressourcen wie Bandbreite und Energie geschont, es kommt seltener zu Nachrichtenkollisionen und dadurch zu einer Erhöhung der Paketempfangsrate, sowie einer Reduktion der Latenzen. Derzeit wird diese Algorithmenklasse hauptsächlich für Geografisches Routing, sowie zur Topologiekontrolle, insbesondere zur Ermittlung der Adjazenzliste eines Knotens in zusammenhängenden, kantenschnittfreien (planaren) Repräsentationen des Netzgraphen, eingesetzt. Ersteres ermöglicht drahtlose multi-hop Kommunikation auf Grundlage von geografischen Knotenpositionen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Netzwerkinfrastruktur, wohingegen Letzteres eine hinreichende Grundlage für effiziente, lokale Lösungen einer Reihe algorithmischer Problemstellungen ist. Die vorliegende Dissertation liefert neue Erkenntnisse zum Forschungsgebiet der reaktiven Algorithmen, zum Einen auf einer abstrakten Ebene und zum Anderen durch die Einführung neuer Algorithmen. Erstens betrachtet diese Arbeit reaktive Algorithmen erstmalig im Ganzen und als eigenständiges Forschungsfeld. Es wird eine umfangreiche Literaturstudie zu dieser Thematik präsentiert, welche die aus der Literatur bekannten Algorithmen, Techniken und Anwendungsfelder systematisch auflistet, klassifiziert und einordnet. Weiterhin wird das mathematische Konzept der O- und Omega-reaktiv lokalen Topologiekontrolle eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht erstmals die eindeutige Unterscheidung reaktiver von konventionellen, beacon-basierten, verteilten Topologiekontrollalgorithmen. Darüber hinaus dient es als Klassifikationsschema für existierende, sowie zukünftige Algorithmen dieser Art. Zu guter Letzt ermöglicht dieses Konzept grundlegende Aussagen über die Mächtigkeit des reaktiven Prinzips, welche über Entwurf und Analyse von Algorithmen hinaus reichen. Zweitens werden in dieser Arbeit neue reaktiv lokale Algorithmen zur Topologiekontrolle und Geografischem Routing eingeführt, wobei drahtlose Netze durch Unit Disk bzw. Quasi Unit Disk Graphen modelliert werden. Diese Algorithmen berechnen für einen gegebenen Knoten die lokale Sicht auf zusammenhängende, planare, Euklidische bzw. Topologische Spanner mit konstanter Spannrate bzgl. des Netzgraphen und routen Nachrichten reaktiv entlang der Kanten dieser Spanner, wobei die Nachrichtenauslieferung garantiert wird. Alle bisher bekannten Verfahren sind entweder nicht reaktiv oder gewährleisten keine konstanten Euklidischen oder Topologischen Spannraten. Ein wesentliches Teilergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass die partielle Delaunay Triangulierung (PDT) ein Euklidischer Spanner mit konstanter Spannrate für Unit Disk Graphen ist. Die in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für grundlegende und strukturierte Forschung auf diesem Gebiet und zeigen, dass das reaktive Prinzip ein wichtiges Werkzeug des Algorithmenentwurfs für Drahtlose Ad Hoc und Sensornetzwerke ist.

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Metadaten
Author:Florentin Neumann
URN:urn:nbn:de:kola-13576
Referee:Hannes Frey, Volker Turau, Viorica Sofronie-Stokkermans, Ralf Lämmel
Advisor:Hannes Frey
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2016/08/16
Date of publication:2016/08/17
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2016/07/13
Release Date:2016/08/17
Tag:Local algorithm
Beaconless; Distributed Algorithm; Geographic routing; Geometric spanner; Planar graphs; Quasi unit disk graph; Reactive algorithm; Unit disk graph; Wireless sensor network
GND Keyword:Ad-hoc-Netz; Algorithmische Geometrie; Drahtloses Sensorsystem; Drahtloses vermachtes Netz; Ebener Graph ; Graph; Komplexität / Algorithmus; Nachbarschaftsgraph ; Netzwerktopologie; Routing; Verteilter Algorithmus; Zusammenhängender Graph
Number of pages:xiii, 237
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Informatik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 006 Spezielle Computerverfahren
BKL-Classification:54 Informatik / 54.10 Theoretische Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG