Децентрализованный протокол организации устойчивого взаимодействия абонентов в сетях с высокой динамикой изменения топологии
Ключевые слова:
беспроводная децентрализованная сеть, протокол маршрутизации, метрики маршрутизации, градиентный бустинг, коэффициент доставки пакетов, сквозная задержка, качество обслуживанияАннотация
Аварийным службам часто приходится проводить спасательные и ликвидационные работы в условиях отсутствия централизованной связи. Невозможность обеспечения стабильной коммуникации между членами спасательного подразделения существенно снижает качество проведения работ. При этом в современных реалиях под стабильной коммуникацией понимается не только голосовой обмен, который может быть обеспечен коротковолновыми радиопередатчиками, но и интенсивный обмен большими объемами трафика. Применение стандартных решений на основе типового сетевого оборудования (Wi-Fi, спутниковая связь и др.) и существующих алгоритмов обеспечения качества обслуживания в рассматриваемых условиях не позволяет быстро обеспечить информационный обмен между разнородными абонентами. Более того, работа в высокогерцовых диапазонах может быть сильно затруднена при наличии препятствий, что снижает общую площадь покрытия и качество передачи данных. Мы предлагаем протокол маршрутизации сетевого уровня, предназначенный для организации децентрализованной связи в подразделении аварийной службы, где абоненты отличаются разной степенью мобильности и типом передаваемого трафика. Данный протокол включает алгоритмы подключения к сети, обнаружения оптимального и альтернативных маршрутов связи, передачи и балансировки трафика по найденным маршрутам. Оригинальный алгоритм поиска маршрутов анализирует производительность каналов связи и определяет все возможные пути передачи трафика между абонентами. С использованием функции оценки маршрутов, основанной на градиентном бустинге деревьев принятия решений, производится формирование оптимальных и альтернативных маршрутов связи, а при передаче данных, на основе полученной информации, выполняется балансировка трафика. Экспериментальное исследование предложенного протокола показало улучшение показателей скорости развертывания и качества обслуживания на сценариях с различной степенью мобильности абонентов.
Литература
2. Yuxuan G., Yue L., Penghui S. Research Status of Typical Satellite Communication Systems // Proceedings of 19th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN). 2021. pp. 1–3. DOI: 10.1109/ICOCN53177.2021.9563909.
3. Duan T., Dinavahi V. Starlink Space Network-Enhanced Cyber–Physical Power System // IEEE Transactions on Smart Grid. 2021. vol. 12. no. 4. pp. 3673–3675. DOI: 10.1109/TSG.2021.3068046.
4. Li S., Zhao Y., He H., Li X., Wang W. The Design and Implementation of Data Link Terminal Based on Two Modes Satellite Communication // Proceedings of International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC). 2022. pp. 1–5. DOI: 10.1109/ISNCC55209.2022.9851765.
5. Mohanti S., Bozkaya E., Naderi M.Y., Canberk B., Secinti G., Chowdhury K.R. WiFED Mobile: WiFi Friendly Energy Delivery with Mobile Distributed Beamforming // IEEE/ACM Transactions on Networking. 2021. vol. 29. no. 3. pp. 1362–1375. DOI: 10.1109/TNET.2021.3061082.
6. IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Area Networks. Specific Requirements – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications // IEEE Std 802.11-2020. 2021. DOI: 10.1109/IEEESTD.2021.9363693.
7. Han J., Geng J., Wu H., Wang K., Zhou H., Ren C., Hayat Q., Zhao X., Yang S., He C., Liang X., Jin R., Ma B., Shen J. The Ultra-Compact ELF Magneto-Mechanical Transmission Antenna with the Speed Modulated EM Signal Based on Three-Phase Induction Motor // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. vol. 69. no. 9. pp. 5286–5296. DOI: 10.1109/TAP.2021.3060149.
8. Hopjan M. Mesh Network Application // Proceeding of International Conference on Military Technologies (ICMT). 2021. pp. 1–4. DOI: 10.1109/ICMT52455.2021.9502829.
9. Wang W., Yang B., Shen S., Shi G., Liu Y. Message Delivery Probability of 3D MANETs Under Erasure Coding // Proceeding International Conference on Networking and Network Applications (NaNA). 2020. pp. 180–185. DOI: 10.1109/NaNA51271.2020.00039.
10. Shruthi S. Proactive routing protocols for a MANET – A review // Proceeding of International Conference on I-SMAC (IoT in Social, Mobile, Analytics and Cloud) (I-SMAC). 2017. pp. 821–827. DOI: 10.1109/I-SMAC.2017.8058294.
11. Ali A.K.S., Kulkarni U.V. Comparing and Analyzing Reactive Routing Protocols (AODV, DSR and TORA) in QoS of MANET // Proceeding of IEEE 7th International Advance Computing Conference (IACC). Hyderabad. India. 2017. pp. 345–348. DOI: 10.1109/IACC.2017.0081.
12. Chai Y., Shi W. Access-enhanced hybrid routing protocol for hybrid wireless mesh network // IEEE 9th International Conference on Communication Software and Networks (ICCSN). Guangzhou. China. 2017. pp. 138–141. DOI: 10.1109/ICCSN.2017.8230094.
13. Ramaiah P., Narmadha R., Gurumoorthy S., Kokulavani K., Gowri V. Exploring Vanet Routing Using A Novel Geographic Routing Protocol // Proceeding of International Conference on Distributed Computing and Electrical Circuits and Electronics (ICDCECE). 2023. pp. 1–6. DOI: 10.1109/ICDCECE57866.2023.10150904.
14. El-Hadidi M.G., Azer M.A. Traffic Analysis for Real Time Applications and its Effect on QoS in MANETs // Proceeding of International Mobile, Intelligent, and Ubiquitous Computing Conference (MIUCC). 2021. pp. 155–160. DOI: 10.1109/MIUCC52538.2021.9447611.
15. Kiki M.J.M., Iddi I., Yunusa H. Improved AOMDV Routing Protocol in Manet UAV Based on Virtual Hop // Proceeding of 3rd International Conference on Computer Communication and the Internet (ICCCI). 2021. pp. 146–151. DOI: 10.1109/ICCCI51764.2021.9486832.
16. Yuan Y.H., Chen H.M., Jia M. An Optimized Ad-hoc On-demand Multipath Distance Vector(AOMDV) Routing Protocol // Proceeding of Asia-Pacific Conference on Communications. 2005. pp. 569–573. DOI: 10.1109/APCC.2005.1554125.
17. Lee R.H., Jeon D.A. Mobile Ad-hoc Network multi-path routing protocol based on biological attractor selection for disaster recovery communication // ICT Express. 2015. vol. 1. no. 2. pp. 86–89. DOI: 10.1016/j.icte.2015.10.001.
18. Tabatabaei S., Nahook H.N. A new routing protocol in MANET using cuckoo optimization algorithm // Journal of Electrical and Computer Engineering Innovations (JECEI). 2020. vol. 9. no. 1. pp. 75–82. DOI: 10.22061/JECEI.2020.7511.397.
19. Subramaniam K., Tamilselvan L. Predictive energy efficient and reliable multicast routing in MANET // Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology. 2015. vol. 9. pp. 706–714. DOI: 10.19026/rjaset.9.2615.
20. Papanna N., Reddy A.R.M., Seetha M. EELAM: Energy efficient lifetime aware multicast route selection for mobile ad hoc networks // Applied Computing and Informatics. 2019. vol. 15. pp. 120–128. DOI: 10.1016/j.aci.2017.12.003.
21. Kacem I., Sait B., Mekhilef S., Sabeur N. A New Routing Approach for Mobile Ad Hoc Systems Based on Fuzzy Petri Nets and Ant System // IEEE Access. 2018. vol. 6. pp. 65705–65720. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2878145.
22. Bhattacharya A., Sinha K. An efficient protocol for load-balanced multipath routing in mobile ad hoc networks // Ad Hoc Networks. 2017. vol. 63. pp. 104–114. DOI: 10.1016/j.adhoc.2017.05.008.
23. Chen J., Li Z., Liu J., Kuo Y. QoS multipath routing protocol based on cross layer design for ad hoc networks // Proceeding International Conference on Internet Computing and Information Services. 2011. pp. 261–264. DOI: 10.1109/ICICIS.2011.168.
24. Pandey P., Singh R. Efficient Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing Protocol Based on Route Stability in MANETs // International Journal of Wireless Information Networks. 2022. vol. 29. no. 3. pp. 393–404. DOI: 10.1007/s10776-022-00570-x.
25. Xiaoxia Q, Wang X., Jiang F. Multi-path Routing Improved Protocol in AODV Based on Nodes Energy // International Journal of Future Generation Communication and Networking. 2015. vol. 8. no. 1. pp. 207–214. DOI: 10.14257/ijfgcn.2015.8.1.21.
26. Alghamdi S.A. Load balancing maximal minimal nodal residual energy ad hoc on-demand multipath distance vector routing protocol (LBMMRE-AOMDV) // Wireless Netw. 2016. vol. 22. pp. 1355–1363. DOI: 10.1007/s11276-015-1029-6.
27. Er-rouidi M., Moudni H., Mouncif H., Merbouha A. A balanced energy consumption in mobile ad hoc network // Procedia Computer Science. 2019. vol. 151. pp. 1182–1187. DOI: 10.1016/j.procs.2019.04.169.
28. Anand M., Sasikala T. Efficient energy optimization in mobile ad hoc network (MANET) using better-quality AODV protocol // Cluster Computing. 2019. vol. 22. pp. 12681–12687. DOI: 10.1007/s10586-018-1721-2.
29. Periyasamy P., Karthikeyan E. Link reliable multipath routing protocol for mobile ad hoc networks // Proceeding of International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies [ICCPCT-2015]. 2015. pp. 1–7. DOI: 10.1109/ICCPCT.2015.7159291.
30. Benatia S.E., Smail O., Boudjelal M., Cousin B. ESMRsc: Energy Aware and Stable Multipath Routing Protocol for Ad Hoc Networks in Smart City // Proceeding of Renewable Energy for Smart and Sustainable Cities. 2019. pp. 31–42.
31. Rump F., Jopen S.A., Frank M. Using Probabilistic Multipath Routing to Improve Route Stability in MANETs // Proceeding IEEE 41st Conference on Local Computer Networks (LCN), Dubai, United Arab Emirates. 2016. pp. 192–195. DOI: 10.1109/LCN.2016.40.
32. Gomes R.D., Queiroz D.V., Lima A.C., Fonseca I.E., Alencar M.S. Real-time link quality estimation for industrial wireless sensor networks using dedicated nodes // Ad Hoc Networks. 2017. vol. 59. pp. 116–133. DOI: 10.1016/j.adhoc.2017.02.007.
33. Alghamdi S.A. Load balancing ad hoc on-demand multipath distance vector (LBAOMDV) routing protocol // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2015. no. 242. DOI: 10.1186/s13638-015-0453-8.
34. Pourbemany J., Mirjalily G., Abouei J., Fahim Raouf A.H. Load Balanced Ad-Hoc On-Demand Routing Based on Weighted Mean Queue Length Metric // Proceeding of Electrical Engineering (ICEE). 2018. pp. 470–475. DOI: 10.1109/ICEE.2018.8472705.
35. Novikov A.S., Ivutin A., Voloshko A., Pestin M.S. Method for Optimizing Ad-hoc Networks Communication Protocol Parameter Values // Proceeding of 9th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). 2020. pp. 1–4. DOI: 10.1109/MECO49872.2020.9134154.
36. Постников В.М., Спиридонов С.Б. Методы выбора весовых коэффициентов локальных критериев // Наука и Образование. 2015. № 06. С. 267–287. DOI: 10.7463/0615.0780334.
37. Piryonesi S.M., El-Diraby T. Data Analytics in Asset Management: Cost-Effective Prediction of the Pavement Condition Index // Journal of Infrastructure Systems. 2020. vol. 26. no. 1. 25 p. DOI: 10.1061/(ASCE)IS.1943-555X.0000512.
38. Pestin M.S., Novikov A.S. Protocol for Multipath Routing of Traffic in Wireless Ad-Hoc Networks Based on the Status of Channels and Network Nodes // International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation. 2022. pp. 553–558. DOI: 10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896315.
39. Jhaveri S., Khedkar I., Kantharia Y., Jaswal S. Success Prediction using Random Forest, CatBoost, XGBoost and AdaBoost for Kickstarter Campaigns // Proceeding of 3rd International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC). 2019. pp. 1170–1173. DOI: 10.1109/ICCMC.2019.8819828.
40. Пестин М.С., Новиков А.С. Имитационная модель беспроводной ad-hoc сети для исследования алгоритмов маршрутизации трафика // Прикладная информатика. 2022. Т. 17. № 4. С. 75–86. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-4-75-86.
41. Pullin A., Pattinson C., Kor A.L. Building Realistic Mobility Models for Mobile Ad Hoc Networks // Informatics. 2018. vol. 5. no. 2. p. 22. DOI: 10.3390/informatics5020022.
42. Пестин М.С., Новиков А.С. Программа для исследования характеристик протоколов маршрутизации в беспроводных децентрализованных сетях связи // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022612832. 2022.
43. Пестин М.С., Новиков А.С. Программное обеспечение для моделирования взаимного пространственного перемещения отдельных узлов в беспроводных децентрализованных сетях связи // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022663501. 2022.
44. Пестин М.С., Новиков А.С. Программное обеспечение для маршрутизации трафика в беспроводных децентрализованных сетях связи // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022663502. 2022.
Decentralized Protocol for Organizing Sustainable Interaction between Subscribers in Networks with High Dynamics of Topology Changes
Abstract
Emergency services often have to carry out rescue and liquidation operations in the absence of centralized communications. The inability to ensure stable communication between members of the rescue unit significantly reduces the quality of work. Moreover, in modern realities, stable communication means not only voice exchange, which can be provided by shortwave radio transmitters, but also intensive exchange of large volumes of traffic. The use of standard solutions based on standard network equipment (Wi-Fi, satellite communications, etc.) and existing algorithms for ensuring quality of service in the conditions under consideration does not allow quickly ensuring information exchange between heterogeneous subscribers. Moreover, operation in high-Hz bands can be very difficult in the presence of obstacles, which reduces the overall coverage area and the quality of data transmission. We propose a network layer routing protocol designed to organize decentralized communication in an emergency service department, where subscribers have different degrees of mobility and types of transmitted traffic. This protocol includes algorithms for connecting to the network, detecting optimal and alternative communication routes, and transmitting and balancing traffic along the found routes. The original route search algorithm analyzes the performance of communication channels and determines all possible paths for transmitting traffic between subscribers. Using the route evaluation function based on gradient boosting of decision trees, optimal and alternative communication routes are formed, and when transmitting data, traffic balancing is performed based on the received information. An experimental study of the proposed protocol showed an improvement in the speed of deployment and quality of service in scenarios with varying degrees of subscriber mobility.
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Алексей Николаевич Ивутин, Александр Сергеевич Новиков, Максим Сергеевич Пестин, Анна Геннадьевна Волошко
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).