Ad Hoc Networks

Ad Hoc Networks Routing, QoS and Optimization

Mounir Frikha

First published 2011 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc. Adapted and updated from Réseaux ad hoc : routage, qualité de service et optimisation published 2010 in France by Hermes Science/Lavoisier © LAVOISIER 2010

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Library of Congress Cataloging-in-Publication Data

Frikha, Mounir. Ad hoc networks : routing, quality of service, and optimization / Mounir Frikha. p. cm. Includes bibliographical references and index. ISBN 978-1-84821-227-5 (hardback) 1. Ad hoc networks (Computer networks) I. Title. TK5105.77.F75 2011 004.6'8--dc22

2010042678

British Library Cataloguing-in-Publication Data A CIP record for this book is available from the British Library ISBN 978-1-84821-227-5 Printed and bound in Great Britain by CPI Antony Rowe, Chippenham and Eastbourne.

Table of Contents

Chapter 1. Introduction to Ad Hoc Networks . . . . . . . . 1

1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Wireless networks and communications . . . . . . . . . . 2

1.2.1. Wireless communications . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2. Wireless networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.3. Classification of wireless networks . . . . . . . . . . . 3

1.2.3.1. Classification by type of network architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.3.2. Classification by extent of the zone covered. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.3.3. Classification by means of access to the radio channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Ad hoc networks (MANET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.1. Characteristics and advantages . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.2. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4. Routing of ad hoc networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.1. Hierarchical routing, flat routing and routing by geographic localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.2. Link-state, distance-vector and source-routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.3. Proactive, reactive and hybrid routing . . . . . . . . . 20 

1.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

Chapter 2. Routing in MANETs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

vi Ad Hoc Networks

2.2. Internet routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1. Distance-vector routing protocols. . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2. Link-state routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.3. Unsuitability of Internet routing protocols for MANETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 

2.3. Classification of routing protocols in MANET . . . . . . 28 2.3.1. Table-driven routing protocols . . . . . . . . . . . . . . 28 

2.3.1.1. Destination-sequenced distance-vector routing (DSDV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.1.2. Optimized link-state routing protocol. . . . . . . 29

2.3.2. Reactive (on demand) routing protocols . . . . . . . . 34 2.3.2.1. Dynamic source-routing (DSR) . . . . . . . . . . . 35 2.3.2.2. Ad hoc on-demand distance-vector. . . . . . . . . 36

2.3.3. Hybrid routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.3.4. Hierarchical routing protocols . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.5. Geographic routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.6. Routing protocols with power control . . . . . . . . . 45 2.3.7. Multicast routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . 46 

2.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 

Chapter 3. Performance Evaluation of OLSR and AODV Protocols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2. The AODV protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 

3.2.1. Route establishment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.1.1. Path discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.2.1.2. Reverse path setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.1.3. Forward path setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2.1.4. Routing table management . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.2. Path maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3. The OLSR protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 

3.3.1. Format of OLSR packets and node addresses . . . . 60 3.3.2. Operation of the protocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 

3.3.2.1. Neighborhood sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.2.2. Topology management. . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3.2.3. Routing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.4. Simulation environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.4.1. The ns-2 network simulator . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.4.2. Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.3. Parameters to evaluate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 

3.4.3.1. Average packet delay . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Table of Contents vii

3.4.3.2. Packet delivery success rate . . . . . . . . . . . . . 79 3.4.3.3. Traffic overhead (TOH) . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.4.3.4. Route acquisition latency (RAL). . . . . . . . . . . 80

3.5. Results and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.5.1. Packet delivery ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.5.2. Average packet delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.5.3. Control traffic volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.5.4. Route acquisition latency. . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 

Chapter 4. Quality of Service in MANETs . . . . . . . . . . . 89

4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2. QoS: a definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 

4.2.1. QoS in wired networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.1.1. The IntServ/RSVP approach . . . . . . . . . . . . . 92 4.2.1.2. The DiffServ approach . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.2.2. QoS in wireless networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.2.1. QoS models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.2.2. Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.2.2.3. Routing with QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.2.4. MAC layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.3. The OLSRQSUP protocol and QoS extensions . . . . . . 100 4.3.1. Operation of the protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 

4.3.1.1. Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3.1.2. Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.3.2. Sensing of neighborhood QoS parameters. . . . . . . 105 4.3.2.1. HELLO message extensions . . . . . . . . . . . . . 106 4.3.2.2. Format of information base extensions . . . . . . 107 4.3.2.3. MPR selection algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3.2.4. Topology management . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.3.2.5. Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 

Chapter 5. Implementation and Simulation . . . . . . . . . 115

5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.2. Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 

5.2.1. Use of the simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.2.2. Implementation by steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.2.3. OLSRQSUP modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2.4. Calculation of metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

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5.3. Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.3.1. Simulation parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.3.2. Parameters to evaluate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.3.3. Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 

5.3.3.1. Quantitative results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.3.3.2. Impact of mobility and network density . . . . . 127 5.3.3.3. Traffic impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 

Chapter 6. Load Distribution in MANETs . . . . . . . . . . . 145

6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.2. Previous approaches to the load-sharing problem. . . . 146 

6.2.1. Approaches to load-sharing in multipath routing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 

6.2.1.1. The multipath adaptative load balancing (MALB) mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

6.2.2. Approaches to load-sharing in single-path routing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.2.3. Performance comparison of load-sharing approaches in single-path and multipath routing . . . . . 152 

6.2.3.1. Packet queues in single-path routing . . . . . . . 153 6.2.3.2. Packet queues in multipath routing . . . . . . . . 154 6.2.3.3. Commentary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.3. Analytical study of the load-sharing problem in an ad hoc network with shortest-path routing . . . . . . . 156 6.4. Proposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 

6.4.1. Proactive routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.4.1.1. Proposal for a new routing metric . . . . . . . . . 164 6.4.1.2. Modification of the routing algorithm. . . . . . . 165

6.4.2. Reactive routing protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.4.2.1. Proposed new routing metric . . . . . . . . . . . . 168 6.4.2.2. Proposed handover mechanism . . . . . . . . . . . 169 6.4.2.3. Modification of the routing algorithm. . . . . . . 170

6.5. Performance evaluation of proposed load-balancing mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 

6.5.1. Evaluation: load distribution . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.5.2. Evaluation: end-to-end delay . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.5.3. Evaluation: packet delivery fraction . . . . . . . . . . 176 

6.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 

Table of Contents ix

Chapter 7. Energy Optimization in Routing Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 7.2. Energy optimization techniques. . . . . . . . . . . . . . . . 180 

7.2.1. Energy consumption in ad hoc networks . . . . . . . 180 7.2.2. Energy minimization methods for ad hoc networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 

7.2.2.1. The physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.2.2.2. The data liaison layer . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.2.2.3. The network layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 7.2.2.4. The transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.2.2.5. The application layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

7.3. Energy minimizing routing models in ad hoc networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 

7.3.1. Minimum total transmission power routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7.3.2. Minimum battery cost routing . . . . . . . . . . . . . . 190 7.3.3. Min–max cost routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7.3.4. Conditional min–max battery capacity routing . . . 193 

7.3.4.1. SVSZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.3.4.2. FVSZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

7.4. Comparison of energy consumption for an ad hoc network routing protocols simulated in ns-2. . . . . . . . . . . . 198 

7.4.1. The energy consumption model. . . . . . . . . . . . . . 199 7.4.2. Simulation method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 7.4.3. Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 

7.4.3.1. Basic scenario simulation . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.4.3.2. Pause time variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 7.4.3.3. Variation of maximum node velocity. . . . . . . . 203 7.4.3.4. Variation in number of traffic sources. . . . . . . 205 7.4.3.5. Variation in number of nodes . . . . . . . . . . . . 206 7.4.3.6. Variation of test network surface . . . . . . . . . . 207 7.4.3.7. Transfer debit variation . . . . . . . . . . . . . . . . 209

7.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 

Chapter 8. Wi-Fi Access for Ad Hoc Networks . . . . . . . . 211

8.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2. Wi-Fi network structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 

8.2.1. The physical layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.2.1.1. Frequency hopping spread spectrum (FHSS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

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8.2.1.2. Direct sequence spread spectrum (DSSS) . . . . 215 8.2.1.3. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

8.2.2. The data link layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.2.2.1. CSMA/CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.2.2.2. RTS/CTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 8.2.2.3. Modes of access to the wireless channel . . . . . 222 8.2.2.4. Additionl properties of the MAC and LLC layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

8.3. Wi-Fi network architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.3.1. Ad hoc mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.3.2. Infrastructure mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 

8.3.2.1. Communication with the AP. . . . . . . . . . . . . 227 8.3.2.2. Roaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

8.3.3. Grid mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 8.4. Wi-Fi norms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 

8.4.1. The 802.11a norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 8.4.2. The 802.11b norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.4.3. The 802.11e norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.4.4. The 802.11f norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 8.4.5. The 802.11g norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 8.4.6. The 802.11i norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.4.7. The 802.1x norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.4.8. The 802.11n specification . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 

8.5. 802.11n migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 

Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

APPENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Appendix 1. The Ad Hoc Networks Simulator (ANS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

Appendix 2. TCL Script of OLSRQSUP Protocol . . . . . . 255

Appendix 3. Awk Script . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265