PhD Theses at KOM

Decentralized Communication Services for Post-Disaster Scenarios - Resource Allocation, Prioritization, and Long-Range Communication Support

Patrick Lieser

Friday September 20, 2019

English abstract:

Our modern society strongly depends on critical infrastructures, such as the central power grid or information and communication technology. When these infrastructures fail during and after disasters, the affected population has no means of communication. At the same time, the increased population density of urban areas coupled with the peoples’ expectation to have permanent access to communication systems and to be informed at all times and at any place, has made disastermanagement increasingly challenging. Communication is crucial during disasters as it empowers the affected population to organize and help themselves. But even if parts of the communication infrastructure are still intact, the increased communication demand for disaster relief efforts and checking on loved ones typically overloads the available infrastructure. As such, infrastructure-independent and rapidly deployable communication systems are required. Delay-tolerant ad-hoc networks can be used to build communication networks, which propagate messages via the storecarry-forward paradigm directly between neighboring communication devices. Such DTN-MANETs can be formed by the smartphones of the affected population. However, such communication networks must overcome various scenario-specific difficulties, such as limited network lifetime due to limited battery power of the devices, message propagation limitations caused by isolated network areas due to the limited range of device-to-device communication, and network resource restrictions.
In this thesis, we first assess scenario-specific characteristics by conducting and evaluating a large-scale field test. Based on these results, our main contribution is the design and implementation of the decentralized disaster communication system D2CS.KOM, which extends the functionality of conventional DTN-MANETs. We enable D2CS.KOM to allocate available energy resources to the network participants in a fully decentralized way, extending the lifetime of communication devices and thus the overall network. We further propose and integrate a prioritization architecture to improve the propagation of disaster-relevant messages in the network and enable the system to adapt to continuously changing communication demands. Since the mobility of network participants determines the performance of data dissemination in DTN-MANETs, D2CS.KOM overcomes this limitation by utilizing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to strategically support the dissemination of messages.
We generalize disaster-specific characteristics into the Simonstrator.KOM simulation platform and conduct an extensive evaluation of our contributions. We show that our system extends the communication lifetime of individual nodes and consequently of the overall network while prioritizing disaster-relevant messages. Additionally, we demonstrate the significant support capabilities of UAVs in intermittent DTN-MANETs. In summary, we show that our contributions constitute a significant step towards ensuring communication during and after disasters by improving upon decentralized, infrastructure-independent communication systems.

German abstract:

Unsere moderne Gesellschaft ist stark abhängig von kritischen Infrastrukturen wie dem zentralen Stromnetz oder Informations- und Kommunikationstechnologien. Wenn diese Infrastrukturen während und nach Katastrophen ausfallen, hat die betroffene Bevölkerung keinerlei Kommunikationsmöglichkeiten mehr. Außerdem erschwert die zunehmende Bevölkerungsdichte in städtischen Gebieten, verbunden mit der Erwartung der Menschen, jederzeit und überall kommunizieren zu können, das Katastrophenmanagement zusätzlich. Kommunikation ermöglicht es der betroffenen Bevölkerung, sich selbst zu organisieren und zu helfen und ist somit der Schlüssel zu einer erfolgreichen Katastrophenbewältigung. Doch selbst wenn die Kommunikationsinfrastruktur noch in Teilen funktionsfähig ist, wird diese durch das erhöhte Kommunikationsaufkommen nach einer Katastrophe typischerweise überlastet. Daher sind schnell einsetzbare und infrastrukturunabhängige Kommunikationssysteme in solchen Situationen dringend erforderlich. Verzögerungstolerante Ad-hoc-Netzwerke (DTN-MANETs) können unter Nutzung der Smartphones der Bevölkerung spontan errichtet werden. Durch die sogenannte Geräte-zu-Geräte-Kommunikation benachbarter Smartphones können Daten ausgetauscht und gespeichert werden, um diese mittels der Bewegung der Bevölkerung weiter im Netzwerk zu verteilen. Für die Entwicklung und den Einsatz solcher DTN-MANETs für die Katastrophenkommunikation müssen jedoch verschiedene szenariospezifische Herausforderungen und Limitierungen berücksichtigt und überwunden werden. Darunter fallen zum Beispiel die begrenzte Laufzeit des Netzwerkes aufgrund der begrenzten Akkuleistung der zugrundeliegenden Smartphones, oder die begrenzten Netzwerkbandbreiten. Weiterhin wird die Nachrichtenverbreitung durch die begrenzte Reichweite der Geräte-zu-Geräte-Kommunikation und der eingeschränkten Bewegung der Bevölkerung in einer Katastrophe zusätzlich limitiert.
In dieser Arbeit identifizieren und untersuchen wir zuerst katastrophenspezifische Merkmale auf Basis von Daten vergangener Katastrophen sowie der Durchführung und Auswertung eines großangelegten eigenen Feldversuches. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist unser Hauptbeitrag der Entwurf und die Implementierung eines dezentralen, infrastrukturunabhängigen Katastrophenkommunikationssystems namens D2CS.KOM. Dieses ermöglicht es, verfügbare Energieressourcen vollständig dezentral den Netzteilnehmern zuzuordnen, um die Kommunikation so lange wie möglich aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus integrieren wir eine Priorisierungsarchitektur, welche die Verbreitung von katastrophenrelevanten Nachrichten im Netzwerk verbessert und es dem Kommunikationssystem ermöglicht, sich an die ständig wechselnden Kommunikationsanforderungen in einer Katastrophe anzupassen. Die Bewegungsmöglichkeiten der Netzwerkteilnehmer bestimmen maßgeblich die Datenverbreitung. Um diese Einschränkung zu adressieren, unterstützt D2CS.KOM hochmobile unbemannte Kleinfluggeräte, kurz UAVs, um die Datenverbreitung strategisch zu unterstützen.
Für eine umfangreiche Evaluation unserer Beiträge verallgemeinern wir katastrophenspezifische Merkmale in unserer Simulationsplattform Simonstrator.KOM. Wir zeigen, dass unser System die Kommunikationsdauer des gesamten Netzwerks verlängert und gleichzeitig katastrophenrelevante Nachrichten im Netzwerk priorisiert. Darüber hinaus demonstrieren wir die signifikanten Beiträge von UAVs zur Vernetzung nicht verbundener Kommunikationsbereiche. Zusammenfassend zeigen wir, dass unsere Beiträge zur Sicherstellung der Kommunikation während und nach Katastrophen beitragen und die Anwendbarkeit dezentraler, infrastrukturunabhängiger Kommunikationssysteme in Katastrophenszenarien verbessern.

PhD Theses