Positionsbasierte Routingverfahren und kooperative Anwendungen für drahtlose Ad-hoc-Netzwerke

Die Verbreitung von leistungsfähigen portablen Geräten hat stark zugenommen. Allerdings werden die verbauten Funktechnologien fast ausschließlich für den Zugriff auf die bestehende Infrastruktur verwendet. Prinzipiell können derartige Geräte aber auch ein drahtloses Ad-hoc-Netzwerk aufbauen, in welchem alle Daten direkt zwischen den Geräten ausgetauscht werden. Anstatt die Topologie des Netzwerks durch Fluten zu erkunden, kann ein Routingprotokoll auch auf die geographischen Positionsinformationen der Netzwerkteilnehmer zurückgreifen. Da diese Strategie insbesondere in hoch mobilen Umgebungen vielversprechend ist, werden in dieser Arbeit mehrere positionsbasierte Routingprotokolle detailliert analysiert und mit Hilfe einer umfangreichen Simulationsstudie untersucht. Des Weiteren wird mit Greedy Routing with Abstract Neighbour Table ein neues Routingprotokoll vorgestellt. Während des Routings wird der Paketinhalt nicht von weiterleitenden Knoten verwendet. Sollen allerdings alle Geräte gemeinsam eine bestimmte Ausgabe erfüllen, so sind die weitergeleiteten Daten meist für alle Geräte von Interesse. Daher wird in der vorliegenden Arbeit die genannte Kommunikationsform exemplarisch anhand der dezentralen Aggregierung untersucht. Ein vielversprechender Ansatz basiert auf einer probabilistischen Datenstruktur, die aus diesem Grund detailliert analysiert wird. Des Weiteren werden mit Bloomfilter-Maps und Bloomfilter-Arrays zwei neue Datenstrukturen vorgestellt. Im letzten Teil der Arbeit wird analysiert, wie die präsentierten Verfahren am besten in die bestehende IT-Infrastruktur integriert werden können und welche Funktechnologie dabei verwendet werden sollte

A Decentralized Adaptive Traffic Signal Control in Urban Networks based on Communication Data

Die Zunahme der Verkehrsnachfrage im motorisierten Individualverkehr in urbanen Ballungsräumen führt zu vielfältigen Verkehrsproblemen (u.a. verlängerte Reisezeiten, erhöhte Emissionen). Die Qualität des Verkehrs-flusses in städtischen Netzen wird von der Güte der Lichtsignalsteuerungen wesentlich beeinflusst. Eine Mög-lichkeit, den negativen Auswirkungen entgegenzuwirken, besteht in der netzweiten Optimierung. Technische Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation und GPS-Lokalisierung ermöglichen in der Zukunft eine standardisierte drahtlose Kommunikation zwischen Fahrzeugen untereinander und mit Infrastrukturelementen. Wesentlicher Vorteil dieser Technologie ist die frühzeitige und kontinuierliche Detektion von Fahrzeugen in den Zu- und Abflüssen von Lichtsignalanlagen. Kontinuierlich übermittelte Positions- und Geschwindigkeitsdaten (V2I-Daten) vom Fahrzeug zu einem Access Point an der Lichtsignalanlage stellen einen deutlichen Informationsgewinn dar. Im Rahmen der Dissertation wurde ein azyklisches, dezentrales Steuerungsverfahren entwickelt, welches das neue Datenpotential an V2I-Daten nutzt, um den Verkehrsfluss in städtischen Netzen zu optimieren. Es erfolgt dabei kein Informationsaustausch zwischen benachbarten Knotenpunkten oder einer zentralen Ebene. Koordinierungs- und Priorisierungsstrategien können nachweislich umgesetzt werden. Die Steuerung jedes Knotenpunkts erfolgt phasenbasiert. Die Anzahl der Phasen und -übergängen ist unbeschränkt. Zu jedem Optimierungsintervall von ?t=5s werden anhand von V2I-Daten die Warteschlangen für jede Phasenkombination für die nächsten 20s prognostiziert. Entsprechend der Zielfunktion wird die Phasenfolge mit der minimalen Gesamtrückstaulänge ausgewählt und umgesetzt. Wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Verfahrens hat der Anteil an kommunikationsfähigen Fahrzeugen. Daher wurde eine Methode in das Verfahren integriert, die anhand von wenigen V2I-Daten eine zuverlässige Schätzung der Rückstaulängen sicherstellt.The control of the increasing traffic volumes in cities worldwide is one of the main challenges of traffic enginee-ring even today and especially in the future. Only intelligent control strategies can reduce the negative impacts of congested urban networks like increasing travel times, increasing number of stops and therefore high pollu-tant emissions. Due to their role as bottlenecks within urban road networks, optimizing the traffic flow at signa-lized intersections is one of the key factors for reducing the mentioned impacts. Technical advances in wireless communication and GPS-location offer new meaningful options for vehicle detection at signalized intersections like the early and continuous detection of approaching vehicles within the communication range. The ongoing development and standardization of the technical framework for sending and receiving information between vehicles and the infrastructure like traffic signals (V2I-communication) are considered. The presented traffic control method takes advantage of the benefits of V2I-communication data. Major aim of the new control method is to react on the current traffic situation and to adjust the green time durations and phase sequence very quickly. Therefore the strategy is designed as decentralized and phase-based like traditional traffic signal control methods but operates without common parameters like cycle times, offsets or other fixed timings. Each discrete time interval of ?t=5s the control algorithm forecasts the future queue length for the next 20s by analyzing the received vehicles position and speed data and determines the optimal green time duration and phase sequence in order to reduce the total queue length at each intersection. The presented strategy is designed for networks and considers real planning constraints like intergreen times for pedestrians. Despite of the decentralized concept, the new approach provides methods for priority strategies and to coordinate neighbouring intersections

Position-Based Packet Forwarding for Vehicular Ad-Hoc Networks

Mobile Ad-Hoc Networks, or MANETs, are data communication networks between (potentially) mobile computer systems equipped with wireless communication devices and — in their purest form — in complete absence of communication infrastructure. Usage scenarios for these systems include communication during disaster recovery or battlefield communications. One of the great research challenges concerning MANETs is the Packet Forwarding Problem, i.e., the question to which neighbor node a data packet should be handed over to reach non-neighboring nodes. While this problem has been previously solved by the adaption of classic routing algorithms from wired networks, the availability of GPS enables to include information about the geographic position of nodes into the routing decision, by selecting forwarders that are geographically closest to the destination. While these algorithms have been shown to improve communication performance in networks with a high degree of node mobility, they require (a) a beaconing service that allows every node to build a table of its neighbors and (b) a so-called Location Service that allows to acquire the current position of non-neighboring nodes in the network. In this thesis, we propose Contention-Based Forwarding (or CBF), a greedy routing heuristic that is no longer in need of a beaconing service. Moreover, a forwarding node running CBF does not at all select the next forwarder explicitly but broadcasts the packet containing its own position and the position of the destination. The selection of the forwarding is now done in a contention period, where every possible forwarder, i.e., every receiver of the packet, considers its own suitability to forward by calculating the geographical progress for the packet if forwarded by itself. Then it waits for a time reciprocal to this suitability before simply retransmitting. If the retransmission of a packet is overheard, the own postponed retransmission process is canceled. In this thesis, we demonstrate that CBF outperforms beacon and position-based routing by delivering packets with constant overhead, almost ignorant of mobility. Also, we introduce two strategies to cope with the problem of packet duplication. A problem left open by greedy routing heuristics is routing in the presence of local optima, or voids. Voids are node placement situations, where — in spite of an existing route — no neighboring node is geographically closer to the destination than the current forwarder. In these situations, greedy forwarding fails and standard graph-based recovery well known from classical Position-Based Forwarding cannot be applied due to the lack of the beacon-based construction of neighbor tables. As a solution, we propagate Contention-Based Distance Vector Routing, a contention-based adaption of AODV that acquires topology information in the area of the void and does contention on the topological distance to the forwarder. Besides the forwarding algorithms, we extend position-based routing by two location services. The first, the Reactive Location Service or RLS is simple, purely on-demand and very robust to mobility, the second Hierarchical Location Service, is more complex but outperforms RLS in scalability. The second big column in this thesis is ad-hoc multi-hop communication in the context of Vehicular Ad-Hoc Networks , or VANET, i.e., networks where the communication system is carried by vehicles. These systems very elegantly fit into the propositions and requirements for our more general routing approaches since they have (a) easy access to position information an (b) "suffer" from high mobility. For VANETs, we separate the routing problem into highway and city scenarios and study various routing algorithms in both. In the end, we advocate the usage of position-based routing in both scenarios; moreover, the contention-based approaches are most promising. While a lot of ad-hoc research has been deemed to be theoretical, we have also built a multi-car communication system. For this system, we provided the network and system architecture and provided the communication software. In this thesis, we will describe these efforts as a proof-of-concept and provide measurement results