An IEEE 802.11 Based Wireless Mesh Disaster Recovery System with Lifetime Enhancement (PDF)

Nach dem Auftreten einer Katastrophe (z.B. eines Erdbebens oder eines Tsunamis) ist eine
funktionierende Kommunikationsinfrastruktur eines der Hauptbedürfnisse von Rettungsteams
und freiwilligen Helfern, auch bereits in den ersten Stunden nach dem Auftreten des katastrophalen
Ereignisses. Das Disaster Recovery-System (DRS), welches in dieser Arbeit vorgeschlagen
wird, basiert auf einem IEEE 802.11s Wireless Mesh Network, welches sich aus
unbeschädigten, wireless-mesh-fähigen, batteriebetriebenen Geräten zusammensetzt, die im
Katastrophengebiet noch verfügbar sind. Wichtige Überlegungen hinsichtlich der Performance
eines DRS sind die erforderliche Knotendichte, die Abdeckung, die durch eine gegebene Knotendichte
erreicht werden kann, die Skalierbarkeit sowie die Lebensdauer des Systems. Zur
Erhöhung der Lebensdauer, welche eine der Schlüsselherausforderungen für das vorgeschlagene
batteriebetriebene DRS darstellt, wird ein verteilter Algorithmus vorgeschlagen. Der Ansatz
ist hierbei, nicht benötigte Knoten abzuschalten und für einen späteren Zeitpunkt der Verwendung
aufzubewahren, während die Netzwerkkonnektivität erhalten bleibt.
Dieser Algorithmus basiert auf einem neuartigen Ansatz, bei dem die Entscheidung, wann ein
Knoten seinen Zustand vom Ruhezustand zum aktiven Zustand oder umgekehrt ändert, auf der
Anzahl der vorhandenen Nachbarknoten des entsprechenden Knotens basiert, was eine einfache
Implementierung auf den einzelnen Mesh-Knoten ermöglicht. Die erreichbare Lebensdauerverlängerung
wird zunächst durch eine Monte-Carlo-Simulation untersucht. Darauf aufbauend
wird die mit dem vorgeschlagenen Lifetime Enhancement-Algorithmus für Disaster Recovery-
Systeme (LEA-DRS) erreichbare Netzwerkperformance durch eine Netzwerksimulation mittels
des Open-Source Network-Simulators ns-3 validiert.
In Netzwerksimulationen ist eine korrekte Repräsentation, insbesondere von Schicht 1 (Physical
Layer) und Schicht 2 (Data Link Layer) notwendig, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen,
die mit der realen Hardwareperformance vergleichbar sind. Das Wi-Fi-MAC-Modell des Netzwerksimulators
ns-3 für Wireless Mesh Networks wird in dieser Arbeit zunächst validiert und
es werden geeignete Korrekturmaßnahmen für die aufgetretenen Ungenauigkeiten der implementierten
Modelle vorgeschlagen.
Des Weiteren werden Verzögerungszeiten, die in jeder Wireless Mesh-Station aufgrund von
Software-Ausführungszeiten und des Scheduling-Mechanismus von Tasks in der CPU auftreten,
im Modell hinzugefügt. Diese werden durch geeignete Hardwareaufbauten und Messungen von
mehreren WLAN-Modulen bestimmt und im Netzwerksimulator realisiert, was schließlich zu
Simulationsergebnissen führt, die eine möglichst große Vergleichbarkeit mit in Hardware realisierten
Netzwerken erreichen.
Die erreichbare Netzwerkperformance wird abschließend validiert, indem ein geeignetes Physical
Layer-Modell einschließlich der Verzögerungszeiten und zusätzlicher Hardware-Parameter
verwendet wird. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass eine Kommunikation per VoIP in einem
Katastrophengebiet mit angemessener Performance und Lebensdauer auf Basis des entwickelten
Systems möglich ist.