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Adhoc Netzwerke Mehdi Harounabadi

Integrated Communication Systems Group www.tu-ilmenau.de/ics Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel

Integrated HW/SW Systems Group Self-Organization 29 January 2017

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Page 1 International Graduate School on Mobile Communications

Adhoc Netzwerke

Presenter: Mehdi Harounabadi

[email protected]


Integrated Communication Systems Group www.tu-ilmenau.de/ics

Inhalt • Der Begriff von Adhoc Netzwerke • Szenarien von Ad hoc Netzwerke • Technologien von Adhoc Netzwerke • Herausforderungen • AdhocRouting



Drahtloses Infrastrukturnetz • Kommunikation zwischen Endgeräte durch Basisstation • Vorausgehende Plannung • Zentrale Verwaltung • Feste infrastruktur zwichen Basisstationen



Der Begriff von Adhoc Netzwerke • Drahtlose Netzwerk:

– ohne Infrastrukture – ohne Zentrale Verwaltung (Selbstorganization) – Direkt Kommunikation zwischen Knoten

• Alle Drahtlose Knoten sind: – Endgrät (Quell/ Ziel von Nachrichten) – Router (Nachrichten weiterleiten)

• Multi-hop Kommunikation



Mobile Adhoc NETzwerke (MANET) • Eigenschaften:

– Dynamische Topologie • Wegbrechen von Routen • Entstehung von neuen Routen

– Multi-hop Kommunikation – Asymmetriche Verbindungen

• Unterschiedliche Sendeleistungen – Beschrankte Moglichkeit der Energieversorgung

• Abhängigkeit von Batterien

C

A

B

D

N M



Beispiele Szenarien • Vehicular Adhoc NETzwerke (VANET) • Anwendungen:

– Sicherheit – Vekehrsteuerung

• Herausforderungen: – Hohe Mobilität – Viele Teilnehmer



Beispiele Szenarien (2) • Wireless Sensor Networks (WSNs) • Anwendungen:

– Überwachung – Gesundheitswesen – Brandmeldungen

• Herausforderungen – Energy – Begrenzte Verarbeitung



Andere Anwendungen device-to-device Kommunikation (4G/5G) militäriche Kommunikation

interaktive Vorlesungen Internet-of-Things (IoT)



Technologien IEEE 802.11 /WiFi • Wireless Local Area Network (WLAN) • Infrastruktur- und Ad-hoc-Netze • Funkübertragung auf ISM (2,4 GHZ, 5 GHZ) • IEEE 802.11p für ITS (Intelligent Transportation

Systems) • Übertragungraten von 1 Mbit/s (1997) bis 100Gbit/s

(802.11 ay- 2017)



Technologien (2) Bluetooth • Basierend auf IEEE 802.15.1 • Kurzdistanz (0.5 meter bis 100 meter) Funkübertragung • Übertragungraten

– 1 Mbps Bluetooth 1.1 – 24 Mbps Bluetooth 3.0, 4.0

• Funkübertragung auf ISM band (2,4 GHZ) • Piconetz: ein Master und bis 7 Slaves



Technologien (3) IEEE 802.15.4 /ZigBee • Für drahtlose Sensornetze • Kommunikation mit geringste Leistungaufnahme • Funkübertragung auf ISM band (868/915 MHZ und 2,4

GHZ) • Verschiedene Gerätearten (Endgerät, Router,

Koordinator)



Herausforderungen • Nachbar und Toplogieerkennung

– Periodische Hello Nachrichten • Entdeckung von Änderungen • Gefahr von Kollisionen

• Limitierte Ressourcen – Bandbreite der Funkkanäle – Batterielaufzeit – Rechenleistung

• Notwendige Optimierungen – Interval von Hello Nachrichten – Schlafperioden



Adhoc Routing • Klassische Routingprotokolle (aus dem Festnetzbereich)

– Zu langsame Konvergenz – Zu großer Overhead – Wichtige Metriken werden ignoriert

• Batterielaufzeit der Knoten • Zeit des Zusammenhalts der Knoten • Zuverlässigkeit der Knoten • Energiebedarf



Adhoc Routing (2) • Hohe Skalierbarkeit • Flexibilität • Effizienz

– Komplexität – Energieverbrauch – Speicherverbrauch

Command Center Rescue Teams

Victims

UAV



Adhoc Routingprotokolle • Topology-basiert

– Proaktiv • OLSR, FSR, …

– Reaktiv • AODV, DSR, …

– Hybrid • ZRP

• Geographisch – GPSR, Geocast, LAR, …



Proaktiv Routingprotokolle • immer bereite Routen nach alle Ziele • Tauschen periodisch Kontrollnachrichten

– Linkstate-Protokolle • Jeder Router kennt die komplette Topologie (Zustand der

Verbindungen im Netzwerk) – Distanzvektor-Protokolle

• Jeder Router Kennt alle im netzwerk vorhanden Knoten, aber in form des nächsten hops und Länge des weges

• Austauch der kompletten Routingtabelle

• Brauchen viel Bandbreite • Großer Overhead • Beispiel: OLSR



Optimized Link State Routing (OLSR) • Erweitert Link-State-Protokolle • Vereinfacht die komplexität der Linkstate-Protokolle • Eigenchaften:

– Jeder Knoten hat Globalen Überblick – Jeder Knoten berechnet die Route – Alle Knoten haben nicht die gleichen Aufgaben – Route wird Über “Shotest Path Algorithm” berechnet



OLSR (2) • Nachbarknoten werden mit Hello Nachrichten gefunden • Periodische Kontrollpakete

– Topology information • Shortest Path Route wird berechnet unter Verwendung

dijkstra's algorithm • Unterschied zu anderen Linkstate Algorithmen?

– Nur Multi-Point-Relay Knoten weiterleiten Kontrollpakete



Reaktiv Routingprotokolle • Tauschen Kontrollnachrichten nur aus, wenn eine Route

benuzt werden soll • Vorteile:

– Brauchen weniger bandbreite – weniger Kontroll-Nachrichten Austauch

• Nachteile: – mehr Versorgerung als Proaktiv-Protokolle – Keine bereite Routen nach alle Ziele

• Beispiel: AODV



Adhoc On-demand Distance Vector (AODV) • Knoten kennen nur nächsten hop einer Route und die

Länge der Route • Definiert zwei Routingmechanismen

– Route discovery • RREQ: Route Request

– Source and destination ID – Hop count – Sequence number

• RREP: Route Reply – Route Maintenance

• RERR: Route ERRor



AODV: Flooding of RREQs I Route discovery from S to T:

Nodes in mutual transmission range (bidirectional links)

Nodes that have already received RREQ

B A

E

F

H

C

G

D Source

Destination

S

T



AODV: Flooding of RREQs II

• RREQ is transmitted by broadcast – Received by all nodes in transmission range

B A

E

F

H

C

G

D

Broadcast

S

T

RREQ



AODV: Flooding of RREQs III

• Every node that receives RREQ forwards it by broadcast and increases the hop count – Of course S does not forward its own RREQ

• Intermediate nodes do not increase the sequence number in a RREQ when they forward it

– A source node increases the sequence number when it wants to build a new route for a specific destination

B A

E

F

H

C

G

D

S

T

RREQ

RREQ



AODV: Flooding of RREQs IV

• Nodes remember “from where” the RREQ was received – If multiple RREQ are received the one with the lowest hop count is

selected – Reverse path is constructed

B A

E

F

H

C

G

D

Constructed reverse path

S

T

RREQ

RREQ



AODV: Flooding of RREQs V

• Duplicate RREQ are detected by sequence numbers and discarded

B A

E

F

H

C

G

D


S

T

RREQ



AODV: Flooding of RREQs VI

• Destination T has received the RREQ – Complete reverse path from T to S has been constructed

B A

E

F

H

C

G

D

S

T

RREQ




AODV: Flooding of RREQs VII

B A

E

F

H

C

G

D

S

T

RREP RREP

RREP

RREP

RREQ


• Node T replies with RREP to S using reverse path – Each hop on reverse path can be directly addressed (no broadcast)



AODV: Flooding of RREQs VIII

B A

E

F

H

C

G

D

S

T

Constructed forward path


• Forward path from S to T is constructed – Can be used for data transport between S and T (bidirectional)

• Unused reverse path entries will be discarded after timeout



AODV Route Maintenance • RERR

– Wegbrechen von Routen • mit Hello Nachrichten erkannt werden

– Nach ‘Source’ Knoten – ‘Source’ Knoten baut neue Route auf

A B C D

E

RERR RERR



Zusammenfassung • Adhoc Nezwerke

– viele Anwendungen – Schnell aufbauen – Billiger – Selbsorganiziert

• Adhoc routing protokolle – Multi-hop Kommunikation – Flexibel – Effizient:

• Resourcen verbrauch



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