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Link failure detection, network recovery, and network reliability in multi-hop wireless networks

Hayajna, Tareq (2017). Link failure detection, network recovery, and network reliability in multi-hop wireless networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this thesis, we study Wireless Mesh Network (WMN) and Mobile Ad hoc NETwork (MANET), which are two kinds of wireless multi-hop communication networks. WMNs and MANETs are promising technologies that have the ability to provide effective solutions to many applications in the technological, social, military, disaster recovery, and economic fields. Some of these applications are the extension of the cellular network's coverage, broadband internet access, and community and neighborhood networks. The big challenge in these kinds of networks is the frequent link failures, which make them less reliable compared to other kinds of networks. Implementing a fast mechanism to detect link failures, effective and reliable routing protocols and metrics, and a powerful reconfiguration scheme to recover from the link failures greatly enhance the WMNs and MANETs performance, and increase their reliability and availability.

Our research has three directions. In the first direction, we study link failure detection approaches and link failure recovery techniques. In this direction, we mathematically analyze Hello based link failure detection approach implemented in routing protocols that use two routes, one as a primary route, and the other one as a backup route that is immediately used upon link failures. The objectives behind the above analysis are to mathematically calculate the packet delivery ratio, and to find how much gain we could achieve by using two routes instead of one. Our results show that the packet delivery is increased by 1.5 times by using two routes instead of one. It also shows that applying two routes is essential to cover high link failure rate values, and the need using two routes instead of one is more urgent in WMNs and MANETs with higher link failure rate values, i.e. less reliable networks. In addition to that, we propose a novel framework that dynamically assigns the values of Hello based link failure detection scheme parameters based on the communication types and the QoS requirements. Besides that, we propose a novel protocol to enhance the Hello based link failure detection scheme performance.

In the second direction, we study the reliable routing protocols and metrics. This thesis proposes a novel adaptive routing protocol to increase the network connectivity and reliability, while minimizing the hop count, reducing the network nodes' spatial distribution and memory, and simplifying the routing process.

The network reliability and connectivity are investigated in the last direction. Based in our study, the only ways to provide reliable and stable communications, virtually decrease the packet loss to zero, and to support multimedia communications in MANETs and WMNs are by using multi-route instead of one, and letting the routing protocols select the most stable routes among the available routes. The network node density specifies the probability that a route exists between any randomly chosen source and destination pair. Thus, to ensure the existence of two routes between any source and destination pairs, the node density must be above a certain threshold. In this thesis, we propose a mathematical model to find the above threshold. Our results show that the probability to have two routes exponentially increases with the number of nodes until it reaches the saturation region where the increase of the number of nodes has negligible improvements in terms of network availability. In addition to that, we study the effects of nodes mobility on the network connectivity. Our work is evaluated by MATLAB.

Titre traduit

Détection de bris de liens, récupération de network, et fiabilité de réseau dans les réseaux sans fil multi sauts

Résumé traduit

Dans cette thèse, nous étudions les réseaux maillés sans fil (WMN) ainsi que les réseaux mobiles ad hoc (MANET), deux types de réseaux de communication multi-sauts sans fil. Les WMN et les MANET sont des technologies prometteuses qui ont la capacité de fournir des solutions efficaces à de nombreuses applications dans les domaines technologique, social, militaire, d’aide aux sinistres et économique. Certaines de ces applications sont des extensions de la couverture des réseaux cellulaires, de l'accès Internet à large bande et des réseaux communautaires et de voisinage. Le grand défi dans ces types de réseaux est le taux fréquent de bris de liens, rendant ainsi moins fiables la communication par rapport à d'autres types de réseaux. Cependant, la mise en oeuvre d'un mécanisme rapide pour détecter les défaillances de liaison, l’application de métriques et d’un protocole de routage efficace et fiable ainsi qu’un puissant mécanisme de reconfiguration pour récupérer les échecs de liaison, vont améliorer grandement les performances des WMN et MANET et augmenteront leur fiabilité et leur disponibilité.

Notre recherche comporte trois orientations. Dans la première direction, nous étudions les approches de détection de défaillance de lien et les techniques de récupération de défaillance de liaison. Dans cette direction, nous analysons mathématiquement la détection de défaillances de lien basée sur l’approche Hello mise en oeuvre dans les protocoles de routage qui utilisent deux routes, l'une comme route principale et l'autre comme route de sauvegarde immédiatement utilisée lors des défaillances de lien. Les objectifs de l'analyse ci-dessus sont de calculer mathématiquement le rapport de livraison des paquets et de déterminer le gain que nous pourrions réaliser en utilisant deux itinéraires au lieu d'un. Nos résultats montrent que la livraison des paquets est augmentée de 1,5 fois en utilisant deux routes au lieu d'une. Il montre également que l'application de deux voies est essentielle pour couvrir les valeurs de taux d'échec de liaison élevé, et le besoin d'utiliser deux routes au lieu d'une, est plus urgent dans WMNs et MANETs avec des valeurs de taux de panne de liaison plus élevées, De plus, nous proposons un nouveau cadre qui attribue dynamiquement les valeurs des paramètres du schéma de détection de défaillance de lien basé sur l’approche Hello en rapport avec les types de communication et les exigences de QoS. En outre, nous proposons un protocole novateur pour améliorer la performance du système de détection de défaillance de liaison basée sur l’approche Hello.

Dans la deuxième direction, nous étudions les protocoles et métriques de routage fiables. Cette thèse propose un nouveau protocole de routage adaptatif pour augmenter la connectivité et la fiabilité du réseau tout en minimisant le nombre de sauts, en réduisant la distribution spatiale et la mémoire des noeuds de réseau et en simplifiant le processus de routage.

La fiabilité et la connectivité du réseau sont étudiées dans le dernier volet. Basé sur notre étude, les seules façons de fournir des communications fiables et stables, réduire pratiquement la perte de paquets à zéro, et soutenir les communications multimédias dans MANETs et WMNs sont, l’utilisation de multi-route au lieu d'une, et en permettant aux protocoles de routage de sélectionner les routes les plus stables parmi les itinéraires disponibles. La densité de noeuds de réseau spécifie la probabilité de l’existence d'un itinéraire parmi n'importe quelle paire de source et de destination choisie au hasard. Ainsi, pour assurer l'existence de deux routes entre n'importe quelle paire source et destination, la densité nodale doit être supérieure à un certain seuil. Dans cette thèse, nous proposons un modèle mathématique pour trouver ce seuil. Nos résultats montrent que la probabilité d'avoir deux routes augmente de façon exponentielle avec le nombre de noeuds jusqu'à atteindre la région de saturation où l'augmentation du nombre de noeuds a un impact négligeable la croissance de cette probabilité. En plus de cela, nous étudions les effets de la mobilité des noeuds sur la connectivité réseau. Notre travail est évalué avec MATLAB.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 117-128.
Mots-clés libres: Réseaux maillés (Informatique) Réseaux ad hoc (Réseaux d'ordinateurs) Transmission sans fil Fiabilité. Analyse des défaillances (Ingénierie) Protocoles de routage (Protocoles de réseaux d'ordinateurs) Routage adaptatif. multi, multi-saut, saut, réseaux mobile ad hoc (MANET), réseaux maillés sans fil (WMN), fiabilité et disponibilité de réseaux, stratégie d’acheminement gourmand
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kadoch, Michel
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 11 sept. 2017 19:38
Dernière modification: 11 sept. 2017 19:38
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1928

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