Formal models for qualitative and quantitative analysis of mobile ad hoc and sensor networks

Abstract

Mobile ad-hoc networks (MANETs) are systems of mobile devices communicating with each other through wireless links without a pre-established networking infrastructure. The absence of a central infrastructure, together with the heterogeneous nature of the devices, make this kind of networks particularly fit to face critical situations, such as natural disasters or battlefield environments. Connectivity, energy consumption and communication interference are key aspects in mobile ad-hoc networks, due to the dynamic characteristics of the devices. In this thesis we propose a broadcast process algebraic model for the analysis of such aspects of MANETs. In particular we first introduce a non-deterministic calculus, which enables us to define and prove some important connectivity properties of ad hoc networks, and then we introduce two different probabilistic extensions of such calculus, with the aim of providing both a qualitative and quantitative analysis of ad hoc networks. In particular, we concentrate on the energy consumption and the level of interference. Using the model checking technique, we finally provide a framework for automatically evaluate the performances of ad hoc networks, with respects to the metrics previously defined.

Le reti ad hoc (MANETs) sono sistemi di dispositivi mobili che comunicano tra loro usando collegamenti wireless, senza alcuna infrastruttura prestabilita. L’assenza di una infrastruttura centrale e la natura eterogenea dei dispositivi rendono questa rete particolarmente adatta a gestire situazioni critiche, come ad esempio le comunicazioni in caso di disastri naturali, o nei campi di battaglia. La connettivit`a, il consumo energetico e l’interferenza nelle comunicazioni sono aspetti chiave nella gestione delle reti ad hoc, date le caratteristiche dinamiche dei dispositivi che le costituiscono. In questa tesi proponiamo un modello formale per l’analisi di queste problematiche. In particolare introduciamo un modello non deterministico che ci permette di definire e provare alcune importanti propriet`a legate alla connettivit`a delle reti. Proponiamo poi due differenti estensioni probabilistiche del calcolo introdotto, volte ad un’analisi sia qualitativa che quantitativa delle reti ad hoc. In particolare questa tesi si concentra sullo studio del consumo energetico e del livello di interferenza. Infine, grazie alla tecnica del model checking, viene fornito uno strumento per valutare in modo automatico le prestazioni delle reti ad hoc rispetto alle metriche proposte.