Position-Based Packet Forwarding for Vehicular Ad-Hoc Networks
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Position-Based Packet Forwarding for Vehicular Ad-Hoc Networks Inauguraldissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften der Universität Mannheim vorgelegt von Dipl. Wirtsch.–Inf. Holger Martin Füßler aus Stutensee Mannheim, 2007 Dekan: Professor Dr. Matthias Krause, Universität Mannheim Referent: Professor Dr. Wolfgang Effelsberg, Universität Mannheim Korreferentin: Professor Dr. Martina Zitterbart, Universität Karlsruhe Tag der mündlichen Prüfung: 30. April 2007 ii Vorwort (Preface) Was Du ererbt von Deinen Vätern, erwirb es, um es zu besitzen. (Johann Wolfgang von Goethe) Bis zu meiner Diplomarbeit hatte ich mich nie mit wissenschaftlicher Arbeit beschäftigt. Ich bin nie Hiwi gewesen, noch hatte ich irgendeine Ahnung, wie ein Lehrstuhl, sei es im Hinblick auf Lehre oder im Hinblick auf Forschung, funktioniert. Damit ist klar, dass ich alles, was ich heute kann, weiß, und bin, meinen geistigen Vätern verdanke. Der in mehrerlei Hinsicht wichtigste Vater dieser Dissertation ist mein Doktor- Vater Professor Doktor Wolfgang Effelsberg. Ohne ihn wäre ich zum einen nicht auf die Idee gekommen, nach dem Diplom eine Promotion zu versuchen, und zum anderen wäre dieses Werk sicher nicht das, was es geworden ist. Auch bedankt sei an dieser Stelle meine Korreferentin, Frau Professor Doktor Martina Zitterbart von der Universität Karlsruhe, die trotz immenser zeitlicher Belastung zugestimmt hat, meiner Dissertation Pate zu stehen. In fachlicher Hinsicht gilt mein Dank in erster Linie der bei meiner Ankunft frisch geschmiedeten Ad-Hoc Netzwerk Gruppe am Lehrstuhl Effelsberg. Hier sind ganz besonders Doktor Martin Mauve und Doktor Hannes Hartenstein (damals NEC Network Labs Europe), beides heute ordentliche Professoren, zu nennen. Sie hatten den Weg mit der bereits erfolgten Beantragung des FleetNet Projektes geebnet und mit der Idee, Routing positionsbasiert zu machen, den Grundstein für alle späte- ren Publikationen gelegt. Zusammen mit meinem Zimmernachbarn Jörg Widmer haben sie mich ganz neu Lesen und Schreiben, wissenschaftliche Methodik, Gut- achtenerstellung und etwa das Betreuen von Studenten gelehrt. Besonders in dieser Hinsicht war ich ein williger Schüler und habe während meiner Promotion alleine 15 Abschlussarbeiten und viele Hiwis und Praktikanten betreuen dürfen. Diese Arbeit hat mir sehr viel Spaß und auch wissenschaftlichen Erfolg bereitet, haben es doch die Ergebnisse mancher Abschlussarbeit in Publikationen und letzten Endes in die- se Arbeit geschafft. Als jemand, der seine Heimat sehr gerne hat, hat mir die Arbeit mit Studenten auch immer wieder Hoffnung gemacht, dass doch nicht alles schlecht sein kann, wenn es so junge, intelligente, und fleißige Menschen gibt, die sich im Team allen Herausforderungen gestellt haben. Einen besonders großen Einfluss auf iii meine Arbeit haben hierbei Michael Käsemann, Christian Lochert, Wolfgang Kieß, Michael Möske, Angelika Leibscher und Matthias Transier gehabt. Ganz besonders stolz bin ich auf die “meiner Studis”, die nun selbst nach einer Promotion streben. So ist Matthias Transier ein wunderbarer Kollege geworden, dem ich fachlich und persönlich sehr viel verdanke. Von den vielen anderen Kollegen am Lehrstuhl, die immer wieder viel zum Werden meiner Gedanken beigetragen haben, sei beson- ders Gerald Kühne erwähnt, der mir gerade als sehr junger Doktorand, unheimlich freundlich und mit großer Geduld beim Lösen von Programmieraufgaben geholfen hat. Stellvertretend für die vielen, nationalen und internationalen, Kollegen, die mir durch ihre Kommentare und Erklärungen wertvolle Beiträge zu meiner Arbeit ge- leistet haben, möchte ich Richard Gold von der Universität Uppsala in Schweden nennen, der mir unter anderem UNIX-Netzwerkprogrammierung auf einem anson- sten langweiligen FleetNet-Treffen beigebracht hat. Einen extra Absatz möchte ich unserem “staff”, insbesondere Frau Betty Haire- Weyerer widmen: Ihr ist es zu verdanken, dass ich diese Arbeit auf Englisch verfas- sen und damit einem größeren Publikum öffnen konnte. Dieselbe Leistung, nämlich die sprachliche Kontrolle meiner Arbeit, hat sie während der ganzen Promotion für die meisten meiner Aufsätze erbracht. Außerdem war sie vielen am Lehrstuhl die “Mutter der Kompanie” und hat nicht selten als Schnittstelle zu Prof. Effelsberg funktioniert. Auch ihrer Nachfolgerin Ursula Eckle und unserem Systemprogram- mierer Walter Müller gilt mein Dank für deren Unterstützung. Wie oben schon angedeutet hat das FleetNet Projekt lange Zeit die Rahmen- bedingungen und Ziele meiner Arbeit vorgegeben. Damit nicht genug, hat es mir die Chance eröffnet, an bedeutsamer Stelle am Entstehen einer neuen Technolo- gie mitzuwirken und hierbei viel über Entwicklungs- und Entscheidungsprozesse der deutschen Automobilindustrie zu lernen. Hierbei möchte ich besonders Herrn Doktor Walter Franz von DaimlerChrysler erwähnen, der mit großem Geschick Fle- etNet eine Richtung gegeben hat. An dieser Stelle muss natürlich auch NEC Network Labs Europe genannt werden, die lange Zeit meine Stelle kofinanziert haben. Neben Hannes Hartenstein war hierfür später Dr. Andreas Festag verantwortlich, immer unter der Führung von Dr. Heinrich Stüttgen. Vielen Dank für Dach und Brot und die wunderbaren vielen Ressourcen. Der wunderbarste Projektpartner im FleetNet- Nachfolgeprojekt “Network-on-Wheels” war für mich die Universität Karlsruhe mit dem wunderbaren Team von Prof. Hartenstein, zunächst Marc Torrent-Moreno und später Felix Schmidt-Eisenlohr. In ihnen leben viele unserer Ansätze weiter. Keineswegs weniger wichtig für meine Arbeit waren mein privates Umfeld. Meinen Eltern, Oskar und Waltraud, verdanke ich neben meinem Leben meine Ausbildung und Förderung, Meine Mutter Waltraud, die leider während meiner Doktoranden- zeit verstorben ist, hat mir vor ihrem Tod einmal gesagt, wie stolz sie mein aka- iv demischer Erfolg macht. Mama, an Dich, im Himmel: Ich hab’s geschafft. Vielen Dank! In über fünf Jahren kommen und gehen viele Menschen. Ganz besonders wichtig sind hierbei die “alten Freunde” und die Familie, die immer da zu sein scheinen, wenn man sie braucht. Meine Schwester mit ihrer wunderbaren Familie, Herbert, Si- las und Maika. Meine lieben Freunde Michael, Schmacko, Maddin und Axel. Meine Mentoren Michael Schmiady und Karl-Heinz Dubronner. Ob es nur Dampf ablassen, das versuchte Verhindern von Fachidiotie oder einfach wunderschönes Privatleben war. Ihr habt immer an mich geglaubt; manchmal mehr als ich selbst. Holger Füßler, Mannheim, im Februar 2007 v vi Abstract Mobile Ad-Hoc Networks, or MANETs, are data communication networks between (potentially) mobile computer systems equipped with wireless communication de- vices and — in their purest form — in complete absence of communication infras- tructure. 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 rout- ing 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 for- ward 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 destina- tion than the current forwarder. In these situations, greedy forwarding fails and standard graph-based recovery well known from classical Position-Based Forward- vii ing 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 lo-