The general field of mobile ad hoc networking is still in its infancy. Particularly, the challenge of providing quality-of-service (QoS) support for mobile ad hoc networks (MANETs) is an open problem and remains relatively uncharted territory. Recently, because of the rising popularity of multimedia applications and potential commercial usage of MANETs, QoS support in MANETs has become an unavoidable task. This thesis focuses on QoS routing that is an essential part of the QoS architecture. The goal of such QoS routing is to select communication paths that have sufficient resources to meet as many of the QoS requirements of all the admitted connections as possible. In this thesis, we investigate two kinds of routing mechanisms for QoS support in MANETs.
First, we propose a novel on-demand QoS routing protocol, SBR [Signal-tointerference-plus-noise ratio (SINR) and Bandwidth Routing], which explicitly fulfills both SINR and bandwidth requirements from different multimedia users in TDMA-based ad hoc mobile networks. With SBR, bandwidth reservation is made by allocating time slots and SINR reservation is ensured by assigning adequate powers at the intermediate nodes between a source and a destination. The power-assignment method used in SBR supports finding routes that satisfy the SINR requirements as well as reduces the level of prevailing interference that necessarily occurs in multiple-access wireless networks. SBR also has a new backup capability of establishing multiple paths, even for a single connection, when the route search cannot find a single path that supports the QoS requirements, which contributes to reducing the probability of call denials in constructing the route due to a lack of suitable paths. Extensive simulations show that SBR significantly reduces the ratio of unsuccessful calls with modest routing overhead.
Second, we propose a novel on-demand QoS routing protocol, EDR [bit Energy-to-interference-plus-noise spectral density ratio ($E_b/I_o$) and Data rate Routing], which explicitly fulfills both Eb/lo and data rate requirements from different multimedia users in CDMA-based ad hoc mobile networks. With EDR, data rate reservation and Eb/lo reservation are ensured through the combined adequate power and rate assignment at the intermediate nodes between a source and a destination. EDR also has a new backup capability of establishing multiple paths, even for a single connection, when the route search cannot find a single path that supports the QoS requirements, which contributes to reducing the probability of call denials in constructing the route due to a lack of suitable paths. Extensive simulations show that EDR significantly reduces the ratio of unsuccessful calls with modest routing overhead.
Another important issue is energy conservation in MANETs as mobile nodes are usually battery-powered. Research in energy-conserving protocols in ad hoc networks has dramatically increased recently. Researchers are investigating energy conservation at every layer in the traditional stack, from the physical layer up to the transport layer and application layer. This thesis focuses on energy saving in network layer. Energy-aware routing (EAR) protocols have been proposed in response to the energy conservation requirement at the network layer. An early goal of EAR was to select the best path such that the total energy consumed by the networks is minimized. Anther objective of EAR is proposed in order to maximize the time taken by the first node to fail because it runs out of battery power.
In this thesis, we propose a novel on-demand energy-aware routing protocol, UBPCR [Utility-Based Power Control Routing], which reduces the trade-offs that arise in the other energy-aware route selection mechanisms that have recently been proposed for mobile ad hoc networks. Our approach is based on an economic framework that represents the degree of link's satisfaction (utility). With UBPCR, the utility function for any transmitter-receiver pair is defined as a measure of the link's preference regarding the SINR, the transmit power, and the transmitter's residual battery capacity. During a route-searching process, each intermediate node between the source and the destination is executed via two consecutive phases: the scheduling phase and the transmit power control phase. The scheduling algorithm finds the proper qualified data slot for the receiving channel so that the transmissions of independent transmitters can be coordinated. The transmit power control determines the optimal power, if one exists, that maximizes the corresponding link's utility. Extensive simulations show that UBPCR can achieve incompatible goals simultaneously and fairly.
무선 이동 Ad Hoc 네트워킹 분야에서는 아직까지도 초기화 단계를 못 벗어나고 있는 중이다. 특히, 이동 Ad Hoc 네트워크 (Mobile Ad Hoc Networks: MANETs)에서 QoS (Quality-of-Service) 보장을 위한 연구주제는 공개적인 문제이자 상대적으로 연구가 미진한 분야이다. 최근에 와서 멀티 애플리케이션의 폭발적인 증가세와 MANETs의 상업적인 응용 덕분에 MANETs을 위한 QoS 보장 문제는 피할 수 없는 중대한 연구주제가 되어가고 있다. QoS 보장하는 방안 중에 QoS 라우팅 항목이 있다. 이러한 QoS 라우팅의 목표는 가능한 모든 승인된 커넥션의 QoS 요구량만큼 충족시키기 위하여 충분한 자원을 가지는 통신 패스를 선택하는 것이다. 이 논문에서는 MANETs에서 QoS 보장을 위한 두 가지 종류의 라우팅 메커니즘을 연구한다.
첫 번째로, 새로운 on-demand형 QoS 라우팅 프로토콜인 SBR[Signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) and Bandwidth Routing]을 제안한다. SBR는 TDMA 기반의 MANETs에서 서로 다른 멀티미디어 사용자들에게 SINR과 대역폭 요구량을 둘 다 동시에 충족시켜준다. SBR에서는 타임 슬롯을 할당함으로써 대역폭을 예약할 수 있고, 소스 노드와 목적지 노드 사이에 있는 중간 노드들에서 적당한 송신 전력을 할당함으로써 SINR를 예약할 수 있다. SBR에서 사용되는 송신 전력 할당 방법은 다중 접속 무선 네트워크에서 필연적으로 발생하는 간섭의 양을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 SINR 요구량을 만족시켜주는 루트를 발견하는 것을 지원해준다. 또한, SBR는 QoS 요구량을 지원해주는 싱글 패스을 찾을 수 없을 때, 다중 패스를 설정해주는 새로운 백업 (backup) 능력을 가진다. 이러한 백업 능력은 적당한 패스 부족으로 인해 루트를 설정하는데 실패하는 콜 부인 (call denial) 확률을 줄일 수 있는데 기여를 해준다. SBR 프로토콜이 적당한 라우팅 오버헤드만을 발생시키면서 콜 설정 능력을 현저하게 높여준다는 사실을 시뮬레이션 작업을 통해 보여준다.
두 번째로, 새로운 on-demand형 QoS 라우팅 프로토콜인 EDR[bit Energy-to-interference-plus-noise spectral density ratio $(E_b/I_0)$ and Data rate Routing]을 제안한다. EDR는 CDMA 기반의 MANETs에서 서로 다른 멀티미디어 사용자들에게 Eb/I0과 데이터 속도 요구량을 둘 다 동시에 충족시켜준다. EDR에서는 소스 노드와 목적지 노드 사이에 있는 중간 노드들에서 동시에 적당한 송신 전력과 데이터 속도를 동시에 할당함으로써 $E_b/I_0$ 과 데이터 속도를 예약할 수 있다. 또한, EDR은 QoS 요구량을 지원해주는 싱글 패스을 찾을 수 없을 때, 다중 패스를 설정해주는 새로운 백업 능력을 가진다. 이러한 능력은 적당한 패스 부족으로 인해 루트를 설정하는데 실패하는 콜 부인 (call denial) 확률을 줄일 수 있는데 기여를 해준다. EDR 프로토콜이 적당한 라우팅 오버헤드만을 발생시키면서 콜 설정 능력을 현저하게 높여준다는 사실을 시뮬레이션 작업을 통해 보여준다.
MANETs에서 또 다른 중요한 이슈는 에너지 보존 (energy conservation)에 관한 사항이다. 이는 이동 노드들이 보통 배터리로 전력을 사용하기 때문이다. Ad Hoc 네트워크에서의 에너지 보존 프로토콜에 관한 연구는 최근에 와서 상당히 진행되어 왔다. 이 분야 연구자들은 물리 계층부터 전송 계층과 응용 계층까지의 모든 계층에서 에너지 보존에 관한 문제를 다루어왔다. 이 논문에서는 네트워크 계층에서의 에너지 절약에 초점이 맞추어져 있다. 많은 에너지 관련 라우팅 (Energy-Aware Routing: EAR) 프로토콜들이 네트워크 계층에서의 에너지 보존 요구에 대한 즉각적인 응답으로 제안되어 왔다. 초기 단계에서의 EAR 목표는 네트워크에 참여하고 있는 전체 노드들의 에너지를 최소화 할 수 있는 패스를 설정하는 것이었다. EAR의 또 다른 목표는 네트워크에 참여하고 있는 노드들 중 가장 첫 번째로 배터리 용량을 다 소모해버리는 노드의 생존시간 (lifetime)을 최대화 할 수 있는 패스를 설정하는 것이다.
이 논문에서는 새로운 에너지 관련 라우팅 프로토콜인 UBPCR[Utility-Based Power Control Routing]을 제안한다. UBPCR은 최근에 이동 Ad Hoc 네트워크를 위해 제안된 서로 다른 에너지 관련 루트 선택 메커니즘에서 생길 수 있는 trade-off를 줄일 수 있게 해 준다. 이 논문에서 제안된 연구방법은 링크의 만족도 정도 (여기서 이를 utility라고 함)를 표현해 줄 수 있는 경제학적인 프레임에 기반하고 있다. UBPCR에서 사용되는 어느 송신자와 수신자 사이를 위한 유틸리티 함수 (utility function)는 SINR, 송신 전력, 송신자의 잔여 배터리 용량에 관한 링크 선호도 (link preference)의 측정 량으로 정의된다. 루트 찾기 과정 동안에 소스 노드와 목적지 노드 사이에 있는 각 중간 노드에서는 두 가지 연이은 과정이 있다. 하나는 스케쥴링 과정이고, 또 다른 하나는 송신 전력 제어 과정이다. 스케쥴링 과정에서는 독립적인 송신자들의 전송들이 잘 조정되어 질 수 있도록 수신 채널을 할당을 위해 적당한 자격이 있는 데이터 슬롯을 찾아준다. 송신 전력 제어 과정에서는 해당 링크의 유틸리티를 최대화 시켜줄 수 있는 전력 량을 결정해 준다. UBPCR 프로토콜이 동시에 그리고 공평하게 서로 상충되는 라우팅 목표를 어느 정도 충족시켜준다는 사실을 시뮬레이션 작업을 통해 보여준다.
