Reidt, Steffen (2006)
Topographisches Routing in mobilen Ad-hoc-Netzen.
Technische Universität Darmstadt
Masterarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Um die Ausbreitung von Funkwellen und deren Wechselwirkung mit Gelände und umbautem Raum in einer Simulation einberechnen zu können, muss zunächst ein Topographiemodell zugrunde gelegt werden. Als einfacher, effizient verwendbarer und nahezu beliebig verfeinerbarer Ansatz werden Polyeder zur Beschreibung jeglicher Art von Objekten verwendet. Um die Topographiedaten für weitere Berechnungen nutzen zu können, werden diese in eine hierzu entwickelte Datenstruktur geladen. Die Datenstruktur besteht aus drei Schichten, welche getrennt Punktdaten, Flächendaten (Wände) und Polyederdaten (Gebäude) speichern und Methoden auf diesen Strukturen zur Verfügung stellen. Die Flächendatenstruktur ist beispielsweise in der Lage, die Reflexionsrichtung eines auf eine Fläche auftreffenden Strahles zu berechnen. Als Quelle der Topographiedaten dienen shapefiles, welche von Katasterämtern genutzt werden, um Topographien von Städten zu speichern. Mit Hilfe eines dafür programmierten Parsers können vorhandene shapefiles in die Datenstruktur eingelesen werden. Als Modell, welches mit Hilfe der aufgebauten Datenstruktur Aussagen über die Erreichbarkeit von Knoten treffen soll, wurde anlehnend an Methoden in der Computergraphik ein strahlenoptisches Ausbreitungsmodell verwendet. Alle gängigen und für nahe Zukunft geplanten Standards zur Funkausbreitung wie IEEE 802.11x verwenden Frequenzbänder oberhalb von 2 GHz. In diesem hohen Frequenzbereich verhalten sich Radiowellen annähernd strahlenförmig, was die Annahme eines strahlenförmigen Verhaltens der Funkwellen im Modell rechtfertigt. Die Berechnung der Empfangsleistung des Empfängerknotens, welche im C++ Netzwerksimulator ns-2 über das erfolgreiche Versenden eines Pakets entscheidet, geschieht in zwei Schritten. In einem ersten Schritt werden die Strahlenpfade vom Sender zum Empfängerknoten bestimmt. Die in dem Modell berücksichtigten Faktoren sind Reflexion und Beugung. Das Finden der Strahlen geschieht mittels eines Raycasting-Algorithmus. Nach erfolgreicher Bestimmung der Strahlenpfade wird unter Berücksichtigung der Polarisation anhand der Länge der Pfade und deren Interaktionen mit Gebäuden die Empfangsleistung bestimmt. Eine wesentliche Herausforderung bei dieser Vorgehensweise ist die Berechnungszeit zur Bestimmung der Strahlenpfade. Da die in der Simulationsberechnung berücksichtigte maximale Anzahl von Reflexion und Beugung pro Pfad die Berechnungszeit des Algorithmus stark beeinflussen, ist es möglich diese Werte zu konfigurieren. Es hat sich herausgestellt, dass eine Berücksichtigung von Pfaden mit mehr als drei Reflexionen und mehr als einer Beugung das Simulationsergebnis nur unwesentlich beeinflusst. Zur Visualisierung der Simulation und zur ständigen Evaluierung von Berechnungen wurde das eigens für ns-2 vorhandene Programm zur Visualisierung iNSpect in seinem Umfang erweitert. Das Bild zeigt die Erweiterung von iNSpect, in der unter anderem die zwischen Sender und Empfängerknoten zur Berechnung verwendeten Strahlen angezeigt werden können. Im rechten Teil werden die Anteile der Empfangsleistung von direkter Sichtverbindung (LOS), Reflexion (Ref) und Beugung (Def) angezeigt. Es stellt sich heraus, dass der Anteil der durch Reflexion und Beugung übertragenen Leistung durchaus relevant ist, wobei Pfade, welche durch Reflexion und Beugung entstehen, ebenfalls zu den Beugungspfaden hinzu gezählt werden. In order to be able to calculate radio wave propagation and interference through solid buildings within a simulation, it is essential to define a certain topographic model first. All kinds of objects are described using polyhedrons, as their handling is easy and enables efficient calculations. To use the respective topographical data in further calculations, it is read into a specially developed data structure. This data structure consists of three parts, which separately store the data of points, faces (walls) and polyhedrons (buildings), and provide certain features. The face data structure e.g. offers the option of estimating the direction of reflexion of a ray impinging on the face. Shapefiles are used as sources for topographic data and are also used by land registries to store topography of cities. A separate parser enables the import of provided shapefiles into the data structure. A ray optical propagation model based on common methods of computer graphics is used to draw conclusions regarding the connectivity of respective nodes with the aid of the processed data structures. All popular radio propagation systems, like IEEE 802.11x, or even those that will be developed in the near future, use wave bands above 2 GHz. High-frequency radio waves move almost radially which justifies the assumption of radially moving waves within the model. Calculating the power of reception of the target node, which defines the successful transmission of a package within the C++ network simulator ns-2, is done in two parts. In a first step, the different pathways of rays going from the sender to the receiver node are determined, with reflexion and deflection being the decisive factors in the model. The detection of the rays is done by a ray tracing algorithm. Having successfully determined the pathways of the rays, the power of reception is calculated taking the waves polarisation into account. The length of path of the rays, the angles of reflexions or deflections and the walls' permittivity factor is included in the calculation. Keeping the time used for calculation procedures at a reasonable level is a serious challenge. Since the time for calculation is highly dependent on the depth of the reflexions and deflections it is possible to configure those values. It turns out that the inclusion of pathways with more than three reflexions or more than one deflection does not affect the simulation results in a noteworthy amount. To visualise the simulation and to permanently evaluate the calculations, the visualization tool iNSpect of ns-2 was widely expanded. The lower picture shows the expansion of iNSpect, which enables in the chosen tab the visualisation of the transmitted rays between sender and receiver node. In the right part of the picture, the power ratios caused by line of sight (LOS), reflexion (Ref) and deflection (Def) are displayed. It turns out that the power transmitted by reflexion and deflection is absolutely relevant, whereas pathways containing both reflexion and deflection are also part of the deflection pathways.

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