Routing and internet gateway selection in aeronautical ad hoc networks
Hoffmann, Felix
In Verkehrsflugzeugen wird ein Internet-Zugang für die Passagiere typischerweise durch eine Verbindung über geostationäre Satelliten ermöglicht. In manchen Regionen kann das Flugzeug auch eine Verbindung mit einem eigens dafür aufgebauten zellulären Mobilfunknetz am Boden herstellen. Allerdings ist der Internet-Zugang über eine Satellitenverbindung relativ teuer und leidet unter den extrem langen Signallaufzeiten zu den geostationären Satelliten. Ein Mobilfunknetz kann nur genutzt werden, solange sich das Flugzeug über Land befindet, und in entlegenen ländlichen Regionen lohnt sich der Aufbau eines solchen Netzes aus wirtschaftlichen Gründen häufig nicht. Wegen dieser Nachteile der bestehenden Möglichkeiten sind ad hoc Netze als mögliche Alternative für entlegene Regionen mit einer ausreichend hohen Verkehrsdichte, etwa der Nordatlantik, vorgeschlagen worden. Durch drahtlose Flugzeug-zu-Flugzeug Verbindungen können Datenpakete von einem Flugzeug zu einem anderen durch das Netz weitergeleitet werden. Flugzeuge, die über eine direkte Internetverbindung verfügen - entweder über einen Satelliten oder eine Bodenstation - können diese Verbindung somit anderen Flugzeugen im Netz zur Verfügung stellen und diesen als sog. "Internet Gateway" dienen. Jedes Datenpaket erreicht oder verlässt das ad hoc Netz also durch einen dieser Internet Gateways. Die Anbindungen der Internet Gateways an das Internet können sich hinsichtlich ihrer Übertragungskapazität oder Latenzzeit jedoch stark unterscheiden. Damit spielt die Zuordnung, welche Flugzeuge welche Internet Gateways verwenden, eine kritische Rolle für die Leistungsfähigkeit des gesamten Netzes. Diese Zuordnung zwischen Flugzeugen und Gateways ist das wesentliche Problem, das in dieser Arbeit behandelt wird. Allerdings hängt diese Zuordnung auch stark von der Qualität des Pfades ab, den die Pakete durch das ad hoc Netz zwischen dem Gateway und dem Flugzeug nehmen. Und die Qualität dieser Verbindung wiederum hängt stark von der Verfügbarkeit des drahtlosen Übertragungskanals ab, den sich die Flugzeuge in dem ad hoc Netz miteinander teilen müssen. In dieser Arbeit werden somit die Zuteilung von Internet Gateways, das Routing von Paketen durch das Netz und die Zuweisung des Funkkanals an einzelne Flugzeuge als gemeinsames Optimierungsproblem behandelt. Dazu werden zunächst die Flugbewegungen im Nordatlantik untersucht, um die Eigenschaften des ad hoc Netzes zu modellieren. Danach wird die Zuordnung von Internet Gateways, das Routing und die Ressourcenzuteilung als mathematisches Optimierungsproblem formuliert, das zum Ziel hat, die durchschnittliche Latenzzeit von Datenpaketen in dem ad hoc Netz zu minimieren. Als heuristisches Lösungsverfahren für dieses Optimierungsproblem wird ein genetischer Algorithmus vorgeschlagen. Durch Simulationen kann gezeigt werden, dass die Qualität der Lösung, die durch den genetischen Algorithmus erzielt wird, in kleinen Netzen vergleichbar ist mit der Lösung des mathematischen Optimierungsproblems. Außerdem lässt sich der genetische Algorithmus wesentlich besser auf größere Netze anwenden, in denen die klassischen Optimierungsverfahren nicht mehr anwendbar sind. Nach diesen beiden zentralisierten Lösungsverfahren wird das sog. "Minimum Downstream Delay" Verfahren als verteilter Lösungsansatz entwickelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Lösung wird anhand von Simulationen untersucht, die den Flugverkehr sowie den durch die Passagiere erzeugten Datenverkehr über dem Nordatlantik realistisch nachbilden.
In-flight Internet access for passengers in commercial aircraft is currently typically provided by geostationary satellites. Recently, connectivity in some areas is also provided by means of a cellular network of base stations on the ground. However, satellite based Internet access is relatively expensive, and suffers from large propagation delay due to the extremely large distance of the geostationary satellites. Cellular networks can only be deployed over land areas, but not in oceanic regions, and their deployment on land in remote regions may not be economically feasible. Due to these drawbacks of the existing solutions for in flight Internet access, ad hoc networks formed by air to air links between the aircraft have recently been proposed as an alternative possibility, especially for oceanic regions with a sufficiently high amount of air traffic, such as the North Atlantic corridor. Aircraft that have a direct connection to the Internet, either through a ground station or a satellite link, may act as Internet Gateways for other aircraft in the network. All data packets that are generated at or destined for one of the aircraft in the network must pass through one of these Internet gateways. At the same time, the gateways' connections to the Internet may exhibit significantly different characteristics regarding their average packet delay or their available capacity. Therefore, the allocation of traffic flows to Internet gateways is crucial for the overall network performance. This problem of Internet gateway selection, with the objective of minimizing average packet delay, is the core problem that is addressed in this thesis. The allocation of flows to gateways is closely related to the quality of the path through the network between the aircraft and the gateway. Obviously, this path quality is also closely linked to the availability of wireless channel resources along the path. Therefore, we consider the joint problem of gateway selection, routing, and channel access in aeronautical ad hoc networks. We first analyze the typical air traffic characteristics in the North Atlantic region and show that such a network would indeed be feasible. Then, we formulate the joint gateway selection, routing, and scheduling problem as a mathematical optimization problem with the goal of minimizing the average packet delay in the network. As a less computationally complex alternative, we define a Genetic Algorithm to solve the optimization problem in a heuristic manner. By means of simulations, it is shown that the performance of the Genetic Algorithm approach comes close to the mathematical programming approach in small networks and the algorithm scales well to larger networks. After these centralized approaches to solving the gateway selection and routing problem, the Minimum Downstream Delay algorithm is defined as a distributed approach to the problem and its integration in a protocol within the IPv6 protocol stack is addressed. The performance of this protocol is then simulated in a realistic environment that models the air traffic situation in the North Atlantic and generates realistic data traffic mimicking the Internet usage of passengers on board the aircraft.
