Decentralized Protocol for Organizing Sustainable Interaction between Subscribers in Networks with High Dynamics of Topology Changes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Emergency services often have to carry out rescue and liquidation operations in the absence of centralized communications. The inability to ensure stable communication between members of the rescue unit significantly reduces the quality of work. Moreover, in modern realities, stable communication means not only voice exchange, which can be provided by shortwave radio transmitters, but also intensive exchange of large volumes of traffic. The use of standard solutions based on standard network equipment (Wi-Fi, satellite communications, etc.) and existing algorithms for ensuring quality of service in the conditions under consideration does not allow quickly ensuring information exchange between heterogeneous subscribers. Moreover, operation in high-Hz bands can be very difficult in the presence of obstacles, which reduces the overall coverage area and the quality of data transmission. We propose a network layer routing protocol designed to organize decentralized communication in an emergency service department, where subscribers have different degrees of mobility and types of transmitted traffic. This protocol includes algorithms for connecting to the network, detecting optimal and alternative communication routes, and transmitting and balancing traffic along the found routes. The original route search algorithm analyzes the performance of communication channels and determines all possible paths for transmitting traffic between subscribers. Using the route evaluation function based on gradient boosting of decision trees, optimal and alternative communication routes are formed, and when transmitting data, traffic balancing is performed based on the received information. An experimental study of the proposed protocol showed an improvement in the speed of deployment and quality of service in scenarios with varying degrees of subscriber mobility.

About the authors

A. N Ivutin

Tula State University

Email: alexey.ivutin@gmail.com
Lenin Av. 92

A. S Novikov

Tula State University

Email: thesis-tsu@yandex.ru
Lenin Av. 92

M. S Pestin

Tula state university

Email: maxime1996rus@mail.ru
Lenin Av. 92

A. G Voloshko

Tula State University

Email: atroshina@mail.ru
Lenin Av. 92

References

  1. Xie Y., Min G., Bin H., Wang H., Ma S. Selection of Communication Frequency Points for Shortwave Radio Network Based on VOACAP // Proceedings of 6th International Conference on Intelligent Computing and Signal (ICSP). 2021. pp. 488–491. doi: 10.1109/ICSP51882.2021.9408644.
  2. Yuxuan G., Yue L., Penghui S. Research Status of Typical Satellite Communication Systems // Proceedings of 19th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN). 2021. pp. 1–3. doi: 10.1109/ICOCN53177.2021.9563909.
  3. Duan T., Dinavahi V. Starlink Space Network-Enhanced Cyber–Physical Power System // IEEE Transactions on Smart Grid. 2021. vol. 12. no. 4. pp. 3673–3675. doi: 10.1109/TSG.2021.3068046.
  4. Li S., Zhao Y., He H., Li X., Wang W. The Design and Implementation of Data Link Terminal Based on Two Modes Satellite Communication // Proceedings of International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC). 2022. pp. 1–5. doi: 10.1109/ISNCC55209.2022.9851765.
  5. Mohanti S., Bozkaya E., Naderi M.Y., Canberk B., Secinti G., Chowdhury K.R. WiFED Mobile: WiFi Friendly Energy Delivery with Mobile Distributed Beamforming // IEEE/ACM Transactions on Networking. 2021. vol. 29. no. 3. pp. 1362–1375. doi: 10.1109/TNET.2021.3061082.
  6. IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Area Networks. Specific Requirements – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications // IEEE Std 802.11-2020. 2021. doi: 10.1109/IEEESTD.2021.9363693.
  7. Han J., Geng J., Wu H., Wang K., Zhou H., Ren C., Hayat Q., Zhao X., Yang S., He C., Liang X., Jin R., Ma B., Shen J. The Ultra-Compact ELF Magneto-Mechanical Transmission Antenna with the Speed Modulated EM Signal Based on Three-Phase Induction Motor // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. vol. 69. no. 9. pp. 5286–5296. doi: 10.1109/TAP.2021.3060149.
  8. Hopjan M. Mesh Network Application // Proceeding of International Conference on Military Technologies (ICMT). 2021. pp. 1–4. doi: 10.1109/ICMT52455.2021.9502829.
  9. Wang W., Yang B., Shen S., Shi G., Liu Y. Message Delivery Probability of 3D MANETs Under Erasure Coding // Proceeding International Conference on Networking and Network Applications (NaNA). 2020. pp. 180–185. doi: 10.1109/NaNA51271.2020.00039.
  10. Shruthi S. Proactive routing protocols for a MANET – A review // Proceeding of International Conference on I-SMAC (IoT in Social, Mobile, Analytics and Cloud) (I-SMAC). 2017. pp. 821–827. doi: 10.1109/I-SMAC.2017.8058294.
  11. Ali A.K.S., Kulkarni U.V. Comparing and Analyzing Reactive Routing Protocols (AODV, DSR and TORA) in QoS of MANET // Proceeding of IEEE 7th International Advance Computing Conference (IACC). Hyderabad. India. 2017. pp. 345–348. doi: 10.1109/IACC.2017.0081.
  12. Chai Y., Shi W. Access-enhanced hybrid routing protocol for hybrid wireless mesh network // IEEE 9th International Conference on Communication Software and Networks (ICCSN). Guangzhou. China. 2017. pp. 138–141. doi: 10.1109/ICCSN.2017.8230094.
  13. Ramaiah P., Narmadha R., Gurumoorthy S., Kokulavani K., Gowri V. Exploring Vanet Routing Using A Novel Geographic Routing Protocol // Proceeding of International Conference on Distributed Computing and Electrical Circuits and Electronics (ICDCECE). 2023. pp. 1–6. doi: 10.1109/ICDCECE57866.2023.10150904.
  14. El-Hadidi M.G., Azer M.A. Traffic Analysis for Real Time Applications and its Effect on QoS in MANETs // Proceeding of International Mobile, Intelligent, and Ubiquitous Computing Conference (MIUCC). 2021. pp. 155–160. doi: 10.1109/MIUCC52538.2021.9447611.
  15. Kiki M.J.M., Iddi I., Yunusa H. Improved AOMDV Routing Protocol in Manet UAV Based on Virtual Hop // Proceeding of 3rd International Conference on Computer Communication and the Internet (ICCCI). 2021. pp. 146–151. doi: 10.1109/ICCCI51764.2021.9486832.
  16. Yuan Y.H., Chen H.M., Jia M. An Optimized Ad-hoc On-demand Multipath Distance Vector(AOMDV) Routing Protocol // Proceeding of Asia-Pacific Conference on Communications. 2005. pp. 569–573. doi: 10.1109/APCC.2005.1554125.
  17. Lee R.H., Jeon D.A. Mobile Ad-hoc Network multi-path routing protocol based on biological attractor selection for disaster recovery communication // ICT Express. 2015. vol. 1. no. 2. pp. 86–89. doi: 10.1016/j.icte.2015.10.001.
  18. Tabatabaei S., Nahook H.N. A new routing protocol in MANET using cuckoo optimization algorithm // Journal of Electrical and Computer Engineering Innovations (JECEI). 2020. vol. 9. no. 1. pp. 75–82. doi: 10.22061/JECEI.2020.7511.397.
  19. Subramaniam K., Tamilselvan L. Predictive energy efficient and reliable multicast routing in MANET // Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology. 2015. vol. 9. pp. 706–714. doi: 10.19026/rjaset.9.2615.
  20. Papanna N., Reddy A.R.M., Seetha M. EELAM: Energy efficient lifetime aware multicast route selection for mobile ad hoc networks // Applied Computing and Informatics. 2019. vol. 15. pp. 120–128. doi: 10.1016/j.aci.2017.12.003.
  21. Kacem I., Sait B., Mekhilef S., Sabeur N. A New Routing Approach for Mobile Ad Hoc Systems Based on Fuzzy Petri Nets and Ant System // IEEE Access. 2018. vol. 6. pp. 65705–65720. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2878145.
  22. Bhattacharya A., Sinha K. An efficient protocol for load-balanced multipath routing in mobile ad hoc networks // Ad Hoc Networks. 2017. vol. 63. pp. 104–114. doi: 10.1016/j.adhoc.2017.05.008.
  23. Chen J., Li Z., Liu J., Kuo Y. QoS multipath routing protocol based on cross layer design for ad hoc networks // Proceeding International Conference on Internet Computing and Information Services. 2011. pp. 261–264. doi: 10.1109/ICICIS.2011.168.
  24. Pandey P., Singh R. Efficient Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing Protocol Based on Route Stability in MANETs // International Journal of Wireless Information Networks. 2022. vol. 29. no. 3. pp. 393–404. doi: 10.1007/s10776-022-00570-x.
  25. Xiaoxia Q, Wang X., Jiang F. Multi-path Routing Improved Protocol in AODV Based on Nodes Energy // International Journal of Future Generation Communication and Networking. 2015. vol. 8. no. 1. pp. 207–214. doi: 10.14257/ijfgcn.2015.8.1.21.
  26. Alghamdi S.A. Load balancing maximal minimal nodal residual energy ad hoc on-demand multipath distance vector routing protocol (LBMMRE-AOMDV) // Wireless Netw. 2016. vol. 22. pp. 1355–1363. doi: 10.1007/s11276-015-1029-6.
  27. Er-rouidi M., Moudni H., Mouncif H., Merbouha A. A balanced energy consumption in mobile ad hoc network // Procedia Computer Science. 2019. vol. 151. pp. 1182–1187. doi: 10.1016/j.procs.2019.04.169.
  28. Anand M., Sasikala T. Efficient energy optimization in mobile ad hoc network (MANET) using better-quality AODV protocol // Cluster Computing. 2019. vol. 22. pp. 12681–12687. doi: 10.1007/s10586-018-1721-2.
  29. Periyasamy P., Karthikeyan E. Link reliable multipath routing protocol for mobile ad hoc networks // Proceeding of International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies [ICCPCT-2015]. 2015. pp. 1–7. doi: 10.1109/ICCPCT.2015.7159291.
  30. Benatia S.E., Smail O., Boudjelal M., Cousin B. ESMRsc: Energy Aware and Stable Multipath Routing Protocol for Ad Hoc Networks in Smart City // Proceeding of Renewable Energy for Smart and Sustainable Cities. 2019. pp. 31–42.
  31. Rump F., Jopen S.A., Frank M. Using Probabilistic Multipath Routing to Improve Route Stability in MANETs // Proceeding IEEE 41st Conference on Local Computer Networks (LCN), Dubai, United Arab Emirates. 2016. pp. 192–195. doi: 10.1109/LCN.2016.40.
  32. Gomes R.D., Queiroz D.V., Lima A.C., Fonseca I.E., Alencar M.S. Real-time link quality estimation for industrial wireless sensor networks using dedicated nodes // Ad Hoc Networks. 2017. vol. 59. pp. 116–133. doi: 10.1016/j.adhoc.2017.02.007.
  33. Alghamdi S.A. Load balancing ad hoc on-demand multipath distance vector (LBAOMDV) routing protocol // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2015. no. 242. doi: 10.1186/s13638-015-0453-8.
  34. Pourbemany J., Mirjalily G., Abouei J., Fahim Raouf A.H. Load Balanced Ad-Hoc On-Demand Routing Based on Weighted Mean Queue Length Metric // Proceeding of Electrical Engineering (ICEE). 2018. pp. 470–475. doi: 10.1109/ICEE.2018.8472705.
  35. Novikov A.S., Ivutin A., Voloshko A., Pestin M.S. Method for Optimizing Ad-hoc Networks Communication Protocol Parameter Values // Proceeding of 9th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). 2020. pp. 1–4. doi: 10.1109/MECO49872.2020.9134154.
  36. Постников В.М., Спиридонов С.Б. Методы выбора весовых коэффициентов локальных критериев // Наука и Образование. 2015. № 06. С. 267–287. doi: 10.7463/0615.0780334.
  37. Piryonesi S.M., El-Diraby T. Data Analytics in Asset Management: Cost-Effective Prediction of the Pavement Condition Index // Journal of Infrastructure Systems. 2020. vol. 26. no. 1. 25 p. doi: 10.1061/(ASCE)IS.1943-555X.0000512.
  38. Pestin M.S., Novikov A.S. Protocol for Multipath Routing of Traffic in Wireless Ad-Hoc Networks Based on the Status of Channels and Network Nodes // International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russian Federation. 2022. pp. 553–558. doi: 10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896315.
  39. Jhaveri S., Khedkar I., Kantharia Y., Jaswal S. Success Prediction using Random Forest, CatBoost, XGBoost and AdaBoost for Kickstarter Campaigns // Proceeding of 3rd International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC). 2019. pp. 1170–1173. doi: 10.1109/ICCMC.2019.8819828.
  40. Пестин М.С., Новиков А.С. Имитационная модель беспроводной ad-hoc сети для исследования алгоритмов маршрутизации трафика // Прикладная информатика. 2022. Т. 17. № 4. С. 75–86. doi: 10.37791/2687-0649-2022-17-4-75-86.
  41. Pullin A., Pattinson C., Kor A.L. Building Realistic Mobility Models for Mobile Ad Hoc Networks // Informatics. 2018. vol. 5. no. 2. p. 22. doi: 10.3390/informatics5020022.
  42. Пестин М.С., Новиков А.С. Программа для исследования характеристик протоколов маршрутизации в беспроводных децентрализованных сетях связи // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022612832. 2022.
  43. Пестин М.С., Новиков А.С. Программное обеспечение для моделирования взаимного пространственного перемещения отдельных узлов в беспроводных децентрализованных сетях связи // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022663501. 2022.
  44. Пестин М.С., Новиков А.С. Программное обеспечение для маршрутизации трафика в беспроводных децентрализованных сетях связи // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022663502. 2022.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».