Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad hoc networks

1. Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad hoc networks 指導教授：郭文興老師 學生：吳順雄 Young-BaeKo and Nitin H. Vaidya Department of Computer Science, Texas A&M University, College Station, TX 77843-3112, USA

2. Outline • Abstract • 1. Introduction • 2.Related work • 3. Location-Aided Routing (LAR) protocols • 3.1 Route discovery using flooding • 3.2 Preliminaries • 3.3 Determining membership of request zones

3. 4.Performance evaluation • 4.1 Simulation model • 4.2 Simulation results • 4.3 Impact of location error • 5. Variations and optimizations • 5.1 Alternative definitions of request zone • 5.2 Adaptation of request zone • 5.3 Another adaptation of request zone

4. 5.4 Propagation of location and speed information • 5.5 Local search • 5.6 Combining with time-to-live (TTL) • 5.7 Use of directional antennas • 5.8 Clock synchronization • 6. Conclusion • References

5. Abstract • Mobile ad hoc網路是由移動的主機所組成的。 • 由於主機不斷移動，所以需要找出新的路由。 • 本文提出一種使用地點資訊的方法來改善ad hoc 網路路由協定的效能，稱為Location-Aided Routing(LAR)。 • 這個方法可以有效減少路由的訊息數。

6. Introduction • Mobile ad hoc網路(MANET)是由許多不依靠公用設施即可互相通訊的無線主機所構成。 • 由於主機移動的原因，會造成拓樸發生不可預期的改變。 • 許多使用在MANET上的協定已經被提出來使路由更有效率。[6,9,11,13,16,18-20,23,28,30,31,33,35] • 本文提出一種方法，可以使用地點資訊來減少尋找路由的overhead。 • LAR協定使用地點資訊來減少路由的搜尋空間。

7. Related work • 設計路由協定是很重要的問題，而且許多路由演算法已經被開發出來[6,9,11,13,16,18-20,23,28,30,31,33,35]。 • 一個令人滿意的協定特性必須能夠配合交通型態。 • Johnson和Maltz指出，現有的路由協定並不適合用在ad hoc網路上，所以他們提出了Dynamic Source Routing(DSR)。 • Perkins和Royer提出了AODV(Ad hoc On demand DistanceVectorrouting)。

8. TORA(Temporally-Ordered Routing Algorithm)是被設計用來最小化因拓樸改變而產生的反應訊息。 • Hass和Pearlman試著在Zone Routing Protocol(ZRP)中合併預先動作(proactive)和反應方法。 • 早期的MANET路由演算法沒有考慮到目的節點的物理位置。 • 本文提出了兩種使用地點資訊的演算法來減少發現路由的overhead。 • 相同的概念已經被應用在cellular PCS(Personal Communication Service)網路的selective paging開發。

9. 近期有其他使用地點資訊的路由協定被提出[3]，稱為DREAM。近期有其他使用地點資訊的路由協定被提出[3]，稱為DREAM。 • DREAM使用路由表來維持每個節點的地點資訊並透過路由表來傳送資料訊息。 • 為了維持路由表的精確度，每個節點會週期性的廣播一個包含了自己座標的控制封包。

10. Location-Aided Routing(LAR) protocols 3.1. Route discovery using flooding

11. 目的節點有可能會沒收到要求路由的封包。 • 傳送端需要重新尋找路由，並設定暫停。 • 若暫停期間仍沒有收到路由回應，則使用新的路由。 • 當節點S偵測到路由到節點D的路徑被破壞，或是S不知道如何路由到目的地時，會重新路由。 • 只有當節點S要使用路由時才會偵測到路由是否被破壞。

12. 3.2.Preliminaries Location information • 使用在Location-Aided Routing(LAR)的地點資訊可以透過GPS來得到。 • GPS得到的資訊會包含一些錯誤，像是GPS計算出的座標和實際座標的差別。 • 本文提到的地點資訊都假設為沒有誤差，並在二維平面上移動。 • 第4節會討論當地資訊只是近似值的機會。

13. Expected zone and request zone • 假設節點S知道節點D在時間 時的位置是L，且現在時間是 ，D的移動速度是 。

14. 當節點S不知道節點D的位置時，整個ad hoc網路都有可能成為expected zone。 • 一般來說，得到越多目的節點的資訊，expected zone的範圍會越小。 • 假設節點S知道節點D向北移動，則圓形的expected zone可以簡化成半圓形如figure 2(b)。

15. 當節點S需要判斷到節點D的路由時，LAR演算法會使用修正過的flooding來定義一個request zone做路由要求。 • 與3.1的flooding的差別，他只會對request zone裡面的節點進行flooding。 • 為了增加路由要求到達節點D的機率，request zone必須包含在expected zone裡面。

16. Request zone也必須包含他自己附近的區域範圍。 • 當expected zone不包含S時，S到D的路徑必須包含expected zone外的主機。 • request zone必須包含額外的區域使得S和D都屬於request zone，如figure 3(a)。 • figure 3(a)的request zone包含了figure 2(a)的expected zone。

17. 在figure 3(b)中，所有S到D的路徑也包含了request zone外的路徑。 • 在適當的暫停時間內沒有發現路由時，LAR協定會允許S使用擴充的request zone來找新的路由。 • 增加request zone的範圍大小可以增加找到路徑的機率，如figure 3(c)，但是也同樣增加了尋找路由的overhead。

19. 3.3.Determining membership of request zones 3.3.1.LARscheme 1 • 第一個結構是使用矩形的request zone，如figure 4。 • 假設節點S知道節點D在時間 時的位置 ，並且知道D的移動速度 。 • 在時間 時，節點S可以定義出一個半徑 、圓心在 的圓做為expected zone。 • 在第一個LAR演算法中，request zone定義為一個包含了S的位置和expected zone的最小矩形，並使矩形的四邊與X、Y軸平行。

21. 3.3.2.LARscheme 2 • 第二個結構在路由要求裡包含了兩個資訊： • 假設節點S知道節點D在時間 時的位置 ，節點S發現路由的時間是 ，而且 。節點S會計算他與 的距離，定義為 並加在路由要求的訊息裡。 • 座標 也會包含在路由要求的訊息裡。 • 當節點I收到路由要求的訊息後，會開始計算與 的距離並定義為 ： • 如果 ，則節點I會繼續向前傳路由要求。 • 如果 ，則節點I會丟棄路由要求。

22. Error in location estimate • 在現實中，估計位置時偶而會發生錯誤，所以使用 當作節點座標的最大錯誤值。 • 在 位置的節點N，他的實際位置可能是在一個圓心在 ，半徑為 的圓內任何位置。 • 修正過的LAR 結構1的expected zone是一個半徑為 的圓。 • 由於expected zone變大，所以request zone也跟著變大，導致路由的overhead也變大。

24. Performanceevaluation • 為了評估架構，作者使用修改過的網路模擬器，MaRS(Maryland Routing Simulator)。 • MaRS是離散事件的模擬器，他能提供一個彈性的平台來評估及比較網路路由的演算法。 • 這邊模擬三種協定─flooding、LAR架構1和LAR架構2。

25. 4.1.Simulation model • 網路節點數設為15、30、50。 • Ad hoc網路大小為1000*1000的方型區域。 • 假設節點持續不斷的移動，速度為 ，實際的速度是在 和 的範圍內。 • 。 • 每個移動主機的傳輸範圍設為200、300、400、500。 • 頻寬設為100Kbytes/sec。 • 來源點每秒可以產生10個資料封包。

26. 4.2.Simulation results

33. 4.3. Impact of location error

35. Variations and optimizations 5.1.Alternative definitions of request zone • 本文中考慮兩種方法來定義request zone，但是還有其他替代方法可以使用。 • 由於LAR架構1的4邊必須與X、Y軸平行，所以會產生較大的區域。 • 如果矩形的一邊能夠平行於節點S到節點D的連線，則產生的request zone就會比較小，如figure 14。

37. 5.2.Adaptation of request zone • 準確的request zone可以改善request zone的適應度。 • 使用LAR架構1時，節點I可以使用節點D最新的地點資訊來定義expected zone。 • 使用LAR架構2時，節點I可以計算到目的地D的距離並用來決定架構2的規則。

38. 5.3.Another adaptation of request zone

41. 5.4. Propagation of location and speedinformation • 在ad hoc網路中，節點不需要知道其他主機的物理位置。 • 現在透過節點之間尋找路由，地點資訊會跟著路由要求訊息一起被傳給其他節點。 • 在本文中的模擬都假設平均速度是常數，並且每個節點都知道。

42. 5.5.Local search • 任意一個中繼節點I在路由失敗後會傳送一個“路由錯誤”的封包給來源節點S，如figure 16(a)。 • 如果使用地點資訊，節點S在重新路由時便可以限制傳遞方向來減少路由訊息，如figure 16(b)。 • Figure 16(c)顯示，這種架構可以改進request zone的大小並減少重新路由的延遲。

44. 5.6.Combining with time-to-live(TTL) • 在DSR中，尋找路由是使用延展的環狀搜尋。 • 這個方法裡，來源傳送路由要求的訊息時會設定一個TTL，如果一段時間沒有接收到路由回應，來源就會加大TTL的值並再試一次。 • 這個方法可以限制路由要求訊息的傳遞。

45. 5.7.Use of directional antennas • LAR協定透過減少接收和前傳路由要求訊息的節點數，來降低路由的overhead。 • 但是因為還是透過廣播來傳送訊息，所以節點附近所有鄰居都會收到訊息，即使他在request zone外也會收到。 • 使用有方向性的天線來改善這個問題，如figure 17。

47. 5.8.Clock synchronization • 在LAR架構1中，我們假設節點之間的時間是同步的。 • 如果時間不同步時，節點X收到一個要給節點Y的地點資訊時，會加上X自己的地點資訊再傳，而這個資訊在未來路由時可以使用。 • LAR架構2不需要時間同步，這也是被認為比架構1好的地方。

48. Conclusion • 本文描述如何在ad hoc網路中使用本地資訊來降低路由的overhead。 • 根據模擬結果，有使用本地資訊的路由overhead明顯比其他不使用本地資訊的演算法低。 • 未來研究方向是評估最佳化的功效以及開發其他可以將本地資訊用在ad hoc網路中的方法。

49. References