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Title: Context-aware Clustering in Mobile Ad-hoc Networks
Authors: Conceição, Luís Alexandre Morais da 
Orientador: Curado, Marília Pascoal
Keywords: Redes Móveis Ad-hoc; Algoritmos de Agrupamento
Issue Date: 4-Nov-2016
Citation: CONCEIÇÃO, Luís Alexandre Morais da - Context-aware clustering in mobile ad-hoc networks. Coimbra : [s.n.], 2016. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/31249
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH/BD/81829/2011/PT 
info:eu-repo/grantAgreement/EC/FP7/225353/EU 
info:eu-repo/grantAgreement/FCT/3599-PPCDT/108348/PT 
Abstract: O crescimento de dispositivos de comunicação sem-fio tem dado origem a uma mudança no paradigma de tecnologias de rede tradicionais, substituindo redes centralizadas com base em infraestruturas por redes distribuídas e automaticamente organizadas. O paradigma de comunicação Ad-hoc possibilita a criação de redes autónomas sem-infraestrutura organizadas de maneira distribuída. Todavia, a existência de redes com maior dimensão e densidade apresenta um grande desafio no que respeita à escalabilidade. O agrupamento tem sido foco de uma vasta gama de propostas no sentido de fornecer escalabilidade a redes móveis Ad-hoc. A necessidade de desempenho requerida pela alta mobilidade em redes de larga escala faz do agrupamento uma solução essencial para fornecer uma topologia hierárquica de modo a permitir escalabilidade. Face a esta questão, este trabalho aborda a escalabilidade de redes móveis Ad-hoc apresentando diversas soluções de agrupamento capazes de gerir redes de grande escala com alta mobilidade. No sentido de fornecer os requisitos mínimos em redes móveis Ad-hoc, entre eles redes de grande escala e alta mobilidade, a solução de agrupamento inteligente e equilibrado (Smart and Balanced Clustering - SALSA) é apresentada em primeiro lugar. Contrariamente à maioria dos esquemas de agrupamento existentes, o SALSA é um esquema distribuído sem nós centrais, atribuindo tarefas de gestão semelhantes a todos os nós. Utilizando este paradigma é possível eliminar o custo de manutenção inerente à re-eleição de nós centrais e a congestão causada por uma manutenção central. Além disso, o SALSA utiliza um mecanismo de equilíbrio de grupos para promover uma distribuição uniforme de nós entre grupos. Esta solução também propõe uma métrica referente à qualidade de grupos de forma a escolher o grupo mais adequado para um nó, baseada na conectividade e posições disponíveis dentro dos grupos. Os resultados, obtidos através de uma avaliação por simulação, demonstram uma alta percentagem de nós agrupados e estáveis, conjuntamente com um baixo custo de manutenção, mesmo em redes grandes com alta mobilidade. Face à importância que a informação de localização tem na criação e gestão de grupos, foram desenvolvidos os esquemas de agrupamento para redes interiores e densas (Clustering for Indoor and Dense Networks - CIDNET) e de agrupamento adaptável e baseado em localização (Adaptive and Location-aware Clustering - DiLoC). Os referidos esquemas foram desenvolvidos com o objectivo de fornecer escalabilidade em redes densas e de interior. Em espaços interiores, devido à falta de tecnologias de localização mais adequadas (tal como o Global Positioning System (GPS)), o CIDNET tira partido de infraestruturas de rede local sem fios existentes para fornecer pontos de referência por forma a reduzir a complexidade das operações de gestão de grupos. O esquema DiLoC também utiliza as referidas infraestruturas, no entanto não depende inteiramente delas. Quando não existem infraestruturas de rede local sem fios, dispõe de nós especiais, intitulados nós âncora, que servem como referência de localização. Os resultados de avaliação demonstram que um esquema de agrupamento, baseado em contexto de localização, é capaz de gerir uma topologia de rede mais estável, no entanto com um pequeno aumento do custo de manutenção. A informação proveniente de relações sociais pode também favorecer o desempenho de redes. O esquema de agrupamento baseado na componente social (Social-aware Clustering Scheme - SoCS) baseia-se na semelhança social entre nós de forma a melhorar a gestão de grupos. Pessoas com interesses, localização ou profissão semelhantes tendem a interagir mais regularmente do que estranhos, portanto a probabilidade de se encontrarem na mesma área é maior. Baseado neste facto, a solução SoCS determina a frequência e durabilidade da conexão entre nós de forma a melhorar decisões de atribuição de grupos. Os resultados obtidos comprovam um aumento significativo de escalabilidade, favorecendo o desempenho de encaminhamento e de tráfego, principalmente quando avaliado utilizando um modelo de mobilidade social. Este trabalho também propõe um modelo de mobilidade desenhado para avaliar o desempenho da rede em cenários pós-desastre. A necessidade de modelar redes móveis Ad-hoc nestes cenários levou ao desenvolvimento do modelo de mobilidade comportamento humano em áreas de desastre (Human Behaviour in Disaster Ar- eas - HBDA). Este modelo gera trajectórias baseadas na modelação do comportamento humano durante operações de busca de vítimas em áreas pós-desastre. Os resultados realçam o contraste de desempenho entre diferentes modelos de mobilidade.
The increase of wireless communication devices is leading to a paradigm change in traditional network technologies, adapting from infrastructured and centralised toward distributed and self-organised. The Ad-hoc communication paradigm allows the deployment of autonomous and infrastructure-less networks organised in a distributed fashion. However, the continuous demand for larger and denser networks presents great challenges regarding scalability. Clustering has been the subject of an extensive amount of proposals aiming to provide scalability to Mobile Ad-hoc Networks (MANETs). Indeed, the performance demands required by high mobility in large networks makes clustering a crucial solution to deliver an hierarchical topology in order to allow scalability. Regarding this issue, this work addresses the scalability of MANETs by proposing diverse clustering solutions capable of managing high mobile and large networks. Addressing the most basic requirements of MANETs, which involve large networks and high mobility, the Smart and Balanced Clustering (SALSA) solution is presented first. In contrast with most existent clustering schemes, SALSA is a distributed clusterhead-free scheme, assigning equal management tasks to all nodes. This paradigm eliminates the overhead inherent to clusterhead re-elections and bandwidth bottlenecks caused by central management. In addition, SALSA uses a cluster balance mechanism promoting an even distribution of nodes among clusters. This solution also proposes a cluster quality metric to assign nodes to the most suitable clusters, regarding connectivity and free amount of positions within clusters. Results by simulation evaluation show a large percentage of clustered and stable nodes while maintaining a low overhead, even in large networks with high mobility. With regards to the importance of location information to help the creation and management of clusters, the Clustering for Indoor and Dense Networks (CIDNET) and Adaptive and Location-aware Clustering (DiLoC) solutions were developed during this work. These schemes were motivated by the specific objective of providing scalability in dense indoor networks. In indoor environments, with the lack of better location positioning technologies (such as Global Positioning System), CIDNET uses existent Wireless Local Area Network (WLAN) infrastructures to provide location references in order to reduce the complexity of cluster management activities. In contrast with CIDNET, DiLoC also takes advantage of WLAN infrastructures but does not depend on them. Where and when no infrastructures are present, it uses special nodes, called anchor nodes, to serve as reference location points. Evaluation results demonstrate that a location-awareness clustering solution is capable of providing a more stable network topology, but with a light increase of overhead. Social relationships information can also improve the performance of networks. The Social-aware Clustering Scheme (SoCS) is inspired by social similarity between nodes to improve cluster management decisions. People with similar interests, location or profession interact more often that strangers, thus the probability of being located in the same position is higher. Inspired by this fact, SoCS measures the connectivity frequency and durability between nodes to make better cluster assignment decisions. The obtained results show a significant increase of network scalability, improving the routing and traffic performances, particularly when a social mobility model is used. This work also proposes a mobility model aiming to assess the network performance in post-disaster environments. The necessity of modelling MANETs in such environments, led to the development of Human Behaviour for Disaster Areas (HBDA) mobility model. The HBDA model mimics human behavioural trajectories during Search for Victim (SFV) operations in post-disaster environments. Results show the contrast of network performances between the usage of different mobility models.
Description: Tese de doutoramento em Ciências e Tecnologias da Informação, apresentada ao Departamento de Engenharia Informática da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/31249
Rights: openAccess
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