About the Self-stabilization of a Virtual Topology for Self-organization in Ad Hoc Networks

Ad hoc networks are spontaneous wireless networks without any wired infrastructure, composed of mobile terminals. We assume that nodes must collaborate to set up an efficient network, such a collaboration requiring a self-organization in the network. We proposed a virtual structure to organize the network: the backbone is a connected structure helping to optimize the control traffic flooding. Clusters form services area, hierarchizing the network, electing one leader per cluster. Since the ad hoc topology is volatile, the self-stabilization of the algorithms is vital. The algorithms for both the construction and the maintenance are analytically studied to prove the self-stabilization of the proposed virtual structure. Thus, the virtual structure is efficient and very scalable, a local topology change impacting only locally the virtual structure. Finally, simulations investigate the behavior and the performances of the virtual structure according to several paremeters. Key-words: self-stabilization, self-organization , virtual structure, ad hoc networks ∗ Laboratoire CITI, INSA Lyon – INRIA ARES – Email: {[email protected]} † This research report is the long version of the article About the Self-Stabilization of a Virtual Topology for Self-Organization in Ad Hoc Networks presented in the Self-Stabilization Symposium (SSS), 2005 [17] Sur l’auto-stabilisation d’une topologie virtuelle pour l’auto-organisation des réseaux ad hoc Résumé : Les réseaux ad hoc sont des réseaux sans-fil spontanés sans infrastructure fixe, composés de terminaux mobiles. Nous supposons que ces noeuds doivent collaborer afin de mettre en place un réseau performant, une telle collaboration requérant une auto-organisation dans le réseau. Nous avons proposé une structure virtuelle pour organiser le réseau : un backbone est une structure connexe aidant à optimiser le flooding du trafic de contrôle. Des clusters forments des zones de service, hiérarchisant le réseau, en élisant un chef par cluter. Comme les topologies ad hoc sont volatiles, l’auto-stabilisation de ces algorithmes est vitale. Les algorithmes de construction et de maintenance sont ici étudiés analitiquement pour prouver l’auto-stabilisation de la structure virtuelle proposée. Ainsi, la structure virtuelle est performante et passe à l’échelle, un changement local de la topologie n’impactant que localement la topologie virtuelle. Finalement, des simulations permettent d’étudier le copoortement et les performances de la structure virtuelle selon de multiples paramètres. Mots-clés : auto-stabilisation, auto-organisation, structure virtuelle, réseaux ad hoc About the Self-Stabilization of a Virtual Topology for Self-Organization in Ad Hoc Networks 3