Mesh networks for handheld mobile devices

Abstract

Mesh communications emerge today as a very popular networking solution. Mesh networks have a decentralized and multihop design. These characteristics arouse interest in research for relevant novel features, such as cooperation among nodes, distribution of tasks, scalability, communication with limited infrastructure support, and the support of mobile devices as mesh nodes. In addition to the inexistence of a solution that implements mesh networks with mobile devices at the data link layer (Layer 2), there is also a need to reconsider existing metrics with new information to tackle the intrinsic characteristics of mobile devices, e.g., the limited energy resources of their battery. To tackle this problem, this thesis presents a detailed study about projects, routing protocols and metrics developed in the area of mesh networks. In addition, two data link layer solutions, Open802.11s and B.A.T.M.A.N-advanced, have been adapted and deployed in a real mesh network testbed with off the shelf routers devices installed with a customized operating system. From this testbed, Open802.11s has proved to offer better performance than B.A.T.M.A.N-advanced. Following this, a breakthrough in this work has been the integration of the 802.11s on an Android mobile device and its subsequent incorporation in the mesh network. This allowed the study of eventual limitations imposed by the mobile device on the operation of the mesh network, namely performance and energy scarcity. With this, another major novelty has followed, by designing, implementing and evaluating several energy related metrics regarding the battery status of mobile devices. This has enabled the participation of mobile devices in mesh routing paths in an efficient way. Our main objective was to implement a mesh network with mobile devices. This has been achieved and validated through the evaluation of diverse testing scenarios performed in a real mesh testbed. The obtained results also show that the operation of a mesh with mobile devices can be enhanced, including the lifetime of mobile devices, when an energy-aware metric is used.

As redes mesh surgem hoje em dia como uma solução de rede em crescimento e expansão. Neste tipo de redes o comportamento entre os nós é descentralizado e numa topologia de multihop. Estas características despertam interesse na pesquisa e desenvolvimento de novas funcionalidades tais como: cooperação entre nós, distribuição de tarefas, escalabilidade da rede e comunicações mesmo em casos de uma infraestrutura limitada e o suporte de dispositivos móveis como nós de uma rede mesh. Associado à inexistência de um projecto que implemente redes mesh em dispositivos móveis na camada de ligação de dados (Layer 2), surge a necessidade de repensar as métricas já existentes com novas informações que façam face às novas características dos dispositivos móveis, neste caso, os recursos limitados de bateria. Por forma a resolver este problema, este trabalho apresenta um estudo detalhado sobre os projetos, protocolos de routing e métricas desenvolvidas na área das redes mesh. Além disso, duas soluções que utilizam a camada de ligação de dados, Open802.11s e BATMAN-advanced, estes foram adaptadao e implementados num testbed real utilizando routers com um sistema operacional costumizado instalado. Deste testbed, concluiu-se que o Open802.11s obtem um melhor desempenho que o BATMAN-advanced. Assim, um dos avanços deste trabalho foi a integração do Open802.11s num dispositivo móvel Android e sua posterior incorporação na rede mesh. Isto permitiu o estudo de eventuais limitações impostas pelo dispositivo móvel ao funcionar numa rede mesh, ou seja, desempenho e a escassez de energia. Com isso, foi concebida outra novidade, através da concepção, avaliação e implementação de várias métricas relacionadas com a energia e que têm por base o estado da bateria do dispositivo. Isto permitiu que os dispositivos móveis participem na rede mesh e a sua gestão de bateria seja feita de forma eficiente. O principal objectivo era a implementação de uma rede mesh com dispositivos móveis. Este foi alcançado e validado através de diversos cenários de teste reais. Os resultados obtidos demonstram também que o funcionamento de uma rede mesh com dispositivos móveis pode ser melhorada, incluindo o tempo de vida dos dispositivos móveis, quando uma métrica que considera a energia é utilizada.