Resilient Networking On the Move (ReNOM)

Abstract

[EN] Towards a fully connected world, wireless networks are evolving to interconnect everything, including people, vehicles, wearables, and robot agents. However, these network nodes are rarely stationary, leading to high-mobility wireless networks with constantly shifting network topologies. Due to these node movements, high-mobility networks are facing significant resilience challenges, like frequent connection disruptions and considerable packet delivery delays. To address these challenges, this proposal aims to develop a framework for resilient networking on moving nodes and devise efficient systematic solutions for enhancing the network resilience against mobility dynamics. The whole proposal is structured into three work packages (WPs), strengthening the resilience of high-mobility networks respectively from three key perspectives. First, in WP [A], we focus on enhancing connectivity resilience in high-mobility networks. Specifically, we will propose an efficient mobility-tolerant station deployment strategy to maximize connectivity coverage and minimize out-of-service probability for these high-mobility network nodes. An effective mobility-adaptive traffic load balancing solution will be further proposed to ensure resilient connection scheduling and prevent station overloads. Next, WP [B] concentrates on the service resilience in high-mobility networks. We will develop efficient approaches for mobility-aware computation offloading and content caching, enabling resilient service delivery over the established resilient connections in WP [A]. Together, WP [A] and WP [B] will ensure successful service completion despite user mobility during the service process. Finally, WP [C] addresses network resilience in face of irresistible station shutdowns, emphasizing the network survivability. Specifically, in case of station failures, the network will transit to a survival operation mode, to sustain communication service for moving nodes until station restoration. We will leverage the potential of floating content (FC) communication and deploy movable communication assistant devices (MCAD) to further accelerate FC communication. High node mobility will be explored to assist the message spread toward inaccessible service regions. Efficient MCAD trajectory designs and real-time MCAD control will be developed in this WP for rapid service delivery to these regions. The resilient scheduling of connectivity and service in WP [A]-[B], combined with the backup solution in WP [C] for survivability, constitutes the overall resilient networking framework for high-mobility nodes. The proposed solutions across all WPs will be evaluated in simulated high-mobility networks under different network topology and various mobility patterns. Via comparisons with diverse benchmark solutions, the effectiveness of our proposed designs in enhancing network resilience will be demonstrated.

[DE] Auf dem Weg zu einer vollständig vernetzten Welt entwickeln sich drahtlose Netzwerke weiter, um alles zu verbinden – einschließlich Menschen, Fahrzeuge, Wearables und Robotik-Agenten. Allerdings sind diese Netzwerkknoten selten stationär, was zu hochmobilen drahtlosen Netzwerken mit ständig wechselnden Netzwerk-Topologien führt. Aufgrund dieser Bewegungen stehen hochmobile Netzwerke vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich ihrer Resilienz, darunter häufige Verbindungsabbrüche und erhebliche Verzögerungen bei der Paketübertragung. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, zielt dieser Antrag darauf ab, ein Framework für widerstandsfähige Vernetzung auf beweglichen Knoten zu entwickeln und systematische, effiziente Lösungen zur Verbesserung der Netzwerkresilienz gegenüber Mobilitätsdynamiken bereitzustellen. Die gesamte Projektstruktur ist in drei Arbeitspakete (WPs) unterteilt, die die Widerstandsfähigkeit hochmobiler Netzwerke aus drei zentralen Perspektiven stärken. Zunächst konzentriert sich WP [A] auf die Stärkung der Konnektivität in hochmobilen Netzwerken. Dazu wird eine effiziente, mobilitätsresistente Stationsplatzierungsstrategie entwickelt, die die Netzabdeckung maximiert und die Wahrscheinlichkeit eines Netzausfalls für mobile Knoten minimiert. Zusätzlich wird eine adaptive Lastverteilung für den Datenverkehr vorgeschlagen, um eine resiliente Verbindungsscheduling-Strategie zu gewährleisten und eine Überlastung der Stationen zu vermeiden. WP [B] fokussiert sich auf die Dienstqualität und Resilienz hochmobiler Netzwerke. Dazu werden effiziente Verfahren für mobilitätsbewusstes Rechenaufgaben-Offloading und Content-Caching entwickelt, um eine zuverlässige Dienstbereitstellung über die in WP [A] gesicherten Verbindungen zu ermöglichen. Durch die Kombination von WP [A] und WP [B] wird eine erfolgreiche Dienstabwicklung trotz Nutzerbewegung während des Dienstprozesses gewährleistet. Schließlich behandelt WP [C] die Netzwerk­widerstandsfähigkeit gegenüber unvermeidbaren Stationsabschaltungen, wobei der Fokus auf der Netzwerküberlebensfähigkeit liegt. Im Falle eines Stationsausfalls wird das Netzwerk in einen Survival-Modus übergehen, um den Kommunikationsdienst für mobile Knoten aufrechtzuerhalten, bis die Station wiederhergestellt ist. Dabei wird das Konzept der Floating-Content (FC)-Kommunikation genutzt und mobile Kommunikationsassistenten (MCADs) eingesetzt, um die FC-Kommunikation weiter zu beschleunigen. Die hohe Mobilität der Netzwerkknoten wird gezielt zur Verbreitung von Nachrichten in schwer zugängliche Versorgungsbereiche genutzt. Dazu werden effiziente Trajektorienplanung und Echtzeitsteuerung für MCADs entwickelt, um eine schnelle Dienstbereitstellung in diese Regionen zu gewährleisten.