Exploitation of spatio-temporal correlations of traffic in ad hoc wireless networks

Abstract

This report contributes to work on improving stability and capacity of military mobile ad hoc wireless networks (MANET). This improvement is necessary in order to provide the flexibility, capacity and robustness that are needed to support high maturity levels of NATO NEC (Network Enabled Capability). The report elaborates on search methods for available link capacities in such networks based on sparse measurements of local traffic load and information of the location of nodes. Wireless communication produces electromagnetic radiation that may indicate the level of local traffic load. A stochastic (scalar) field Z can formally represent the intensity of local traffic load. Access to estimates of such fields can therefore help to optimize the routing function and improve network availability for mission critical information. The field Z will normally exhibit spatial and temporal correlations enabling reconstruction of the value of the field from sparse measurements. A contribution in this report is the formulation, implementation and illustration of a method to reconstruct time varying stochastic fields from sparse measurement samples. The crosscorrelation of the field decreases gradually with increased distance in time and space. The report also describes a scalable method for simulation of the field under question. This method can be used to simplify simulation of the reconstruction methods in a network simulator. This work may be relevant for activities studying if effects from traffic-generating events generate secondary events (cascades) that must be taken into account by the routing protocol. The proposed techniques in this report may be used for development of simple methods to exploit correlations in data traffic load within a network. The report argues that simple approaches often have more general relevance as compared to complex methods when data and experience are scarce.

Denne rapporten presenterer arbeid som har potensial til å kunne forbedre stabilitet og kapasitet til militære ad hoc trådløse mobile kommunikasjonsnettverk (MANET). Slik forbedring er nødvendig for at de militære nettverkene skal ha den fleksibilitet, kapasitet og robusthet som er påkrevet for å kunne støtte høye modenhetsgrader av NbF (Nettverksbasert Forsvar). Rapporten gjennomgår muligheter for søk etter tilgjengelige lokale transportkapasiteter i slike nettverk basert på spredte målinger og informasjon om posisjonen til nodene. Et hovedpoeng er at rutingprotokoller i nettverket skal kunne bruke informasjon om nettverkslasten til assistanse for å finne gode transportveier for data i nettverket samt til overvåking, og for å gjøre tiltak for utbedringer. Nytten av informasjonen avhenger av presisjon og tidspunkt for slik tilgang samt hvordan rutingprotokollene er bygd opp. Et stokastisk (skalar) felt Z kan representere hvor opptatt de lokale transportkapasitetene er i et område ved et gitt tidspunkt. Målinger av elektromagnetisk stråling på aktuelle frekvenser kan gi indikasjoner på slik lokal intensitet i datatrafikken. Feltet Z vil kunne forventes å være korrelert i både rom og tid. Det er da generelt komprimerbart og kan rekonstrueres ut fra spredte målinger. Dette kan gjøres ved hjelp av kriging-teknikker eller metoder som kategoriseres som komprimert måling der komprimeringen er en del av selve sampleprosessen. Et bidrag i denne rapporten er formulering, implementering og illustrasjon av en metode som viser hvordan tidsvarierende stokastiske felter effektivt kan rekonstrueres ut fra spredte målinger. Krysskorrelasjonen i feltet avtar gradvis med økt avstand i rom og tid. Rapporten presenterer også en skalerbar metode for å simulere det elektromagnetiske feltet. Denne metoden kan bli brukt i en nettverkssimulator for å redusere kompleksiteten ved simulering av de foreslåtte metodene for rekonstruksjon av slike felter. Dette kan ha relevans for å studere effekter av at trafikkgenererende hendelser kan utløse sekundære hendelser som er viktige å ta hensyn til for ruteprotokollen. De foreslåtte metodene er av interesse for utvikling av enkle metoder for å utnytte korrelasjoner i datatrafikk. Rapporten argumenterer for at enkle metoder ofte kan være mer generelt relevante sammenlignet med komplekse metoder når en har lite tilgang på realistiske data.