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Title
Analyzing and improving wireless networking protocols and services for emergency response scenarios / Dipl.-Ing. Christian Raffelsberger, Bakk-techn.
AuthorRaffelsberger, Christian
CensorHellwagner, Hermann ; Brunie, Lionel
PublishedKlagenfurt, July 2015
Description183 Seiten : Diagramme
Institutional NoteAlpen Adria Universität Klagenfurt, Dissertation, 2015
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)mobile ad-hoc Netzwerke / Verzögerungs-tolerante Netzwerke / Routing / Drahtlosnetzwerke für Katastropheneinsätze
Keywords (EN)mobile ad-hoc networking / delay- and disruption-tolerant networking / routing / networking in emergency response scenarios
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-21777 Persistent Identifier (URN)
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Analyzing and improving wireless networking protocols and services for emergency response scenarios [3.35 mb]
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Abstract (German)

Der Erfolg von KatastropheneinsÃ$tzen hÃ$ngt vor allem von einer guten Zusammenarbeit der verschiedenen EinsatzkrÃ$fte ab. Der Aufbau und die Aufrechterhaltung der Kommunikation und des Informationsaustausches zwischen EinsatzkrÃ$ften stellen wichtige Aufgaben dar, damit die involvierten Organisationen die vorliegende Krise bewÃ$ltigen kÃnnen. Ein Problem, das in diesem Zusammenhang oft auftritt, ist der Ausfall bestehender Kommunikationsinfrastruktur, z.B. durch den Ausfall von Sendemasten. Eine Alternative fÃr zerstÃrte oder Ãberlastete Kommunikationsinfrastruktur stellen drahtlose mobile ad-hoc Netzwerke dar (MANETs), die von den EinsatzkrÃ$ften am Einsatzort verwendet werden kÃnnen. Eine Herausforderung in diesen dynamischen Drahtlosnetzwerken ist die Ébermittlung von Daten zwischen Sendern und EmpfÃ$ngern, das sogenannte Routing. Bestehende Routing-Algorithmen fÃr MANETs gehen davon aus, dass Ende-zu-Ende-Verbindungen zwischen den Kommunikationspartnern aufgebaut werden kÃnnen. Diese Annahme trifft aber oftmals nicht auf KatastropheneinsÃ$tze zu, bei denen Ende-zu-Ende-Verbindungen in den provisorisch aufgebauten MANETs unterbrochen werden kÃnnen. Die vorliegende Dissertation hat das Ziel, die drahtlose Vernetzung in Katastrophenszenarien zu verbessern. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von Routing-Algorithmen, die einerseits Unterbrechungen innerhalb des Netzwerkes tolerieren kÃnnen, andererseits aber auch effizient in den gut verbundenen Teilen des Netzwerkes arbeiten. Dies wird durch eine Kombination von Mechanismen fÃr Unterbrechungs-tolerante Netzwerke (sogenannter DTNs) und herkÃmmlichen MANET Routing-Algorithmen erreicht. Im ersten Teil der Dissertation wird gezeigt, wie man Drahtlosnetzwerke fÃr KatastropheneinsÃ$tze modellieren kann. ^Anhand zweier konkreter Katastrophenszenarien werden KonnektivitÃ$tseigenschaften dieser Drahtlosnetzwerke analysiert und SchwÃ$chen bestehender Routing-Algorithmen aufgezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Drahtlosnetzwerke in Katastrophenszenarien ungleiche KonnektivitÃ$tseigenschaften aufweisen, d.h. Teile des Netzwerkes gut verbunden sind, wÃ$hrend andere Teile vom Rest des Netzwerkes getrennt sind. Basierend auf dieser Erkenntnis, werden zwei Routing-Algorithmen vorgestellt, die Mechanismen von DTN und MANET Routing-Protokollen kombinieren. Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Algorithmen die Vorteile von MANET und DTN Routing kombinieren und so auch in Drahtlosnetzwerken eingesetzt werden kÃnnen, die unterschiedliche KonnektivitÃ$tseigenschaften aufweisen. Im letzten Teil der Dissertation wird ein System zur Ébertragung von multimedialen Daten (z.B. Videos vom Einsatzort) vorgestellt, das die Kommunikation in Katastrophenszenarien erweitern und verbessern soll. Das Design des Systems berÃcksichtigt die zuvor genannten Herausforderungen, wie z.B. die Unterbrechung der Drahtlosnetzwerke und spezifische Anforderungen in Katastrophenszenarien. Basierend auf einer Analyse bestehender Protokolle fÃr den Austausch fÃr Multimediadaten, wurde HTTP-basiertes, adaptives Streaming (HAS) ausgewÃ$hlt. Durch eine Modifikation von HTTP wird ein Datenaustausch auch in unterbrochenen Netzwerken ermÃglicht, die keine Ende-zu-Ende Verbindungen aufweisen. Simulationsergebnisse der durchgefÃhrten Evaluation des Systems in einem Katastrophenszenario zeigen, dass das vorgestellte System Multimediadaten mit hoher Wahrscheinlichkeit und akzeptablen VerzÃgerungen Ãbertragen kann. Insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass in Verbindung mit den zuvor vorgestellten kombinierten MANET/DTN Routing-Algorithmen, Multimediaten auch in schlecht verbundenen und regelmÃ$Ãig unterbrochenen Drahtlosnetzwerken geliefert werden kÃnnen.

Abstract (English)

Emergency response operations are highly collaborative efforts that usually involve different first responder organizations. Establishing and maintaining communication as well as disseminating information are critical and complex tasks in such operations, in order to allow the involved organizations to effectively cope with the situation at hand. Since fixed communication infrastructures may be destroyed or overloaded in the course of a disaster, wireless mobile ad-hoc networks (MANETs) are a promising solution to provide the means to communicate and manage information at a disaster scene. Most existing MANET routing protocols assume that an end-to-end path between source and destination can be established. However, this assumption may not hold in networks established during emergency responses. In particular, the wireless networks may provide diverse connectivity characteristics which imposes some challenges, especially on routing. Routing protocols need to take transmission errors, node failures and even the partitioning of the network into account. This thesis aims to improve wireless networking for emergency response scenarios by proposing to use routing algorithms that provide mechanisms from delay-/disruption-tolerant networking (DTN) in order to cope with network disruptions, but at the same time are as efficient as MANET routing protocols in connected parts of the network. We make several contributions to achieve this goal. First, we describe how to model emergency response operations in a realistic way and analyze the specifics of such scenarios in terms of wireless connectivity. Based on the analysis of two realistic emergency response scenarios, it can be stated that networks offer diverse connectivity characteristics. In particular, in some parts of a disaster area the connectivity between first responders is good whereas other parts are not well connected. We show shortcomings of existing routing protocols from the MANET and the DTN domains and that a combination of these two approaches is beneficial in emergency response scenarios. In particular, we propose two routing algorithms that apply DTN mechanisms on top of MANET routing in order to cope with disruptions of the network. The algorithms are evaluated in different simulation-based experiments and compared with existing MANET and DTN routing protocols. The evaluation results show that the combined schemes provide a good tradeoff between delivery ratio and resource usage. Furthermore, we show that the combined approaches are applicable to a wide range of scenarios, from low to well-connected networks. For instance, in partitioned networks the combined approaches offer packet delivery ratios similar to state-of-the-art DTN routing schemes while using fewer resources concerning bandwidth and storage. Additionally, we propose a multimedia delivery system that provides another means of communication in emergency response scenarios. The design of the system takes the aforementioned challenges, such as network disruptions into account and also the specific requirements of the emergency response domain. In particular, we have selected HTTP Adaptive Streaming (HAS) for multimedia delivery but use a modified version of HTTP that supports data delivery despite network disruptions. Results from a simulation-based evaluation in a chemical incident scenario show that the multimedia delivery system can deliver videos with a high probability and acceptable delays, even in networks that offer low connectivity, especially in combination with the aforementioned combined MANET/DTN routing approaches.

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