Goodbye, ALOHA!

©2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The vision of the Internet of Things (IoT) to interconnect and Internet-connect everyday people, objects, and machines poses new challenges in the design of wireless communication networks. The design of medium access control (MAC) protocols has been traditionally an intense area of research due to their high impact on the overall performance of wireless communications. The majority of research activities in this field deal with different variations of protocols somehow based on ALOHA, either with or without listen before talk, i.e., carrier sensing multiple access. These protocols operate well under low traffic loads and low number of simultaneous devices. However, they suffer from congestion as the traffic load and the number of devices increase. For this reason, unless revisited, the MAC layer can become a bottleneck for the success of the IoT. In this paper, we provide an overview of the existing MAC solutions for the IoT, describing current limitations and envisioned challenges for the near future. Motivated by those, we identify a family of simple algorithms based on distributed queueing (DQ), which can operate for an infinite number of devices generating any traffic load and pattern. A description of the DQ mechanism is provided and most relevant existing studies of DQ applied in different scenarios are described in this paper. In addition, we provide a novel performance evaluation of DQ when applied for the IoT. Finally, a description of the very first demo of DQ for its use in the IoT is also included in this paper.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Modelling and performability evaluation of Wireless Sensor Networks

This thesis presents generic analytical models of homogeneous clustered Wireless Sensor Networks (WSNs) with a centrally located Cluster Head (CH) coordinating cluster communication with the sink directly or through other intermediate nodes. The focus is to integrate performance and availability studies of WSNs in the presence of sensor nodes and channel failures and repair/replacement. The main purpose is to enhance improvement of WSN Quality of Service (QoS). Other research works also considered in this thesis include modelling of packet arrival distribution at the CH and intermediate nodes, and modelling of energy consumption at the sensor nodes. An investigation and critical analysis of wireless sensor network architectures, energy conservation techniques and QoS requirements are performed in order to improve performance and availability of the network. Existing techniques used for performance evaluation of single and multi-server systems with several operative states are investigated and analysed in details. To begin with, existing approaches for independent (pure) performance modelling are critically analysed with highlights on merits and drawbacks. Similarly, pure availability modelling approaches are also analysed. Considering that pure performance models tend to be too optimistic and pure availability models are too conservative, performability, which is the integration of performance and availability studies is used for the evaluation of the WSN models developed in this study. Two-dimensional Markov state space representations of the systems are used for performability modelling. Following critical analysis of the existing solution techniques, spectral expansion method and system of simultaneous linear equations are developed and used to solving the proposed models. To validate the results obtained with the two techniques, a discrete event simulation tool is explored. In this research, open queuing networks are used to model the behaviour of the CH when subjected to streams of traffic from cluster nodes in addition to dynamics of operating in the various states. The research begins with a model of a CH with an infinite queue capacity subject to failures and repair/replacement. The model is developed progressively to consider bounded queue capacity systems, channel failures and sleep scheduling mechanisms for performability evaluation of WSNs. Using the developed models, various performance measures of the considered system including mean queue length, throughput, response time and blocking probability are evaluated. Finally, energy models considering mean power consumption in each of the possible operative states is developed. The resulting models are in turn employed for the evaluation of energy saving for the proposed case study model. Numerical solutions and discussions are presented for all the queuing models developed. Simulation is also performed in order to validate the accuracy of the results obtained. In order to address issues of performance and availability of WSNs, current research present independent performance and availability studies. The concerns resulting from such studies have therefore remained unresolved over the years hence persistence poor system performance. The novelty of this research is a proposed integrated performance and availability modelling approach for WSNs meant to address challenges of independent studies. In addition, a novel methodology for modelling and evaluation of power consumption is also offered. Proposed model results provide remarkable improvement on system performance and availability in addition to providing tools for further optimisation studies. A significant power saving is also observed from the proposed model results. In order to improve QoS for WSN, it is possible to improve the proposed models by incorporating priority queuing in a mixed traffic environment. A model of multi-server system is also appropriate for addressing traffic routing. It is also possible to extend the proposed energy model to consider other sleep scheduling mechanisms other than On-demand proposed herein. Analysis and classification of possible arrival distribution of WSN packets for various application environments would be a great idea for enabling robust scientific research

Planning the deployment of fault-tolerant wireless sensor networks

Since Wireless Sensor Networks (WSNs) are subject to failures, fault-tolerance becomes an important requirement for many WSN applications. Fault-tolerance can be enabled in different areas of WSN design and operation, including the Medium Access Control (MAC) layer and the initial topology design. To be robust to failures, a MAC protocol must be able to adapt to traffic fluctuations and topology dynamics. We design ER-MAC that can switch from energy-efficient operation in normal monitoring to reliable and fast delivery for emergency monitoring, and vice versa. It also can prioritise high priority packets and guarantee fair packet deliveries from all sensor nodes. Topology design supports fault-tolerance by ensuring that there are alternative acceptable routes to data sinks when failures occur. We provide solutions for four topology planning problems: Additional Relay Placement (ARP), Additional Backup Placement (ABP), Multiple Sink Placement (MSP), and Multiple Sink and Relay Placement (MSRP). Our solutions use a local search technique based on Greedy Randomized Adaptive Search Procedures (GRASP). GRASP-ARP deploys relays for (k,l)-sink-connectivity, where each sensor node must have k vertex-disjoint paths of length ≤ l. To count how many disjoint paths a node has, we propose Counting-Paths. GRASP-ABP deploys fewer relays than GRASP-ARP by focusing only on the most important nodes – those whose failure has the worst effect. To identify such nodes, we define Length-constrained Connectivity and Rerouting Centrality (l-CRC). Greedy-MSP and GRASP-MSP place minimal cost sinks to ensure that each sensor node in the network is double-covered, i.e. has two length-bounded paths to two sinks. Greedy-MSRP and GRASP-MSRP deploy sinks and relays with minimal cost to make the network double-covered and non-critical, i.e. all sensor nodes must have length-bounded alternative paths to sinks when an arbitrary sensor node fails. We then evaluate the fault-tolerance of each topology in data gathering simulations using ER-MAC

Computer-network Solutions for Pervasive Computing

Lo scenario delle reti di comunicazione di tipo wireless sta rapidamente evolvendo verso i sistemi pervasivi in cui i dispositivi wireless, di diversi tipi e grandezze, costituiscono parte integrante dell’ambiente in cui sono immersi, ed interagiscono continuamente ed in maniera trasparente con gli utenti che vi vivono o che lo attraversano. Si parla a tal proposito anche di ambienti intelligenti. Seguendo l’evoluzione dai sistemi mobili a quelli pervasivi, questa tesi rivisita diversi tipi di ambienti wireless che si sono sviluppati e diffusi negli ultimi 20 anni: a partire dalle wireless LANs, proseguendo con le reti ad hoc, per finire con le reti opportunistiche. Sebbene molte problematiche delle reti wireless si ripropongano in quasi tutti gli scenari (ad esempio il risparmio energetico), a scenari wireless diversi corrispondono in genere utilizzi differenti e diversi fabbisogni degli utenti, come pure problemi specifici che richiedono soluzioni dedicate. Alcune soluzioni specifiche sono analizzate e proposte in questa tesi. Le reti WLANs basate su infrastruttura sono usate generalmente per fornire accesso alla rete Internet ed infatti lo scenario che le comprende è solitamente riferito come Wireless Internet. Nonostante la presenza dell’infrastruttuta fissa garantisca in generale una trasmissione di dati affidabile, l’utilizzo di questo tipo di reti per fornire esattamente gli stessi tipi di servizi delle reti fisse provoca un elevato consumo di risorse che all’interno delle WLANs sono invece limitate. Inoltre l’utilizzo dei protocolli dello stack TCP/IP sui link wireless è di solito fonte di inefficienze viste le profonde differenze esistenti fra i link wireless e quelli fissi. La progettazione di servizi in uno scenario di wireless Internet ha come primario obiettivo quello di garantire la fruizione da parte degli utenti mobili senza soluzione di continuità, mascherando così la presenza del link wireless che ha banda nominale inferiore rispetto ai link fissi ed è soggetto a maggiori perdite, e supportando la mobilità degli utenti all’interno delle zone di copertura (handoff). La gestione dei servizi di wireless Internet deve sempre essere integrata con soluzioni di risparmio energetico tese ad allungare il più possibile l’autonomia energetica dei dispositivi degli utenti (alimentati a batteria) garantendo così loro un servizio duraturo nel tempo. Abbiamo studiato una soluzione per servizi di streaming audio-video verso terminali mobili in un ambiente di wireless LAN. Oltre a garantire la continuità della riproduzione multimediale con buona qualità, questa soluzione ottimizza il consumo energetico del terminale wireless agendo sulla scheda di rete wireless. Durante lo streaming infatti, la scheda di rete viene periodicamente messa in uno stato a basso consumo energetico (sleep). I periodi di sleep della scheda vengono calcolati adattivamente in funzione dello stato di avanzamento della riproduzione multimediale e della banda disponibile istantaneamente sul canale wireless opportunamente monitorato. Il riposo della scheda di rete non incide sul processo di riproduzione e quindi sulla qualità del servizio percepita dall’utente mobile. A differenza delle WLANs, le reti MANETs sono prive di infrastruttura fissa ed i nodi che vi partecipano si autoconfigurano ed autoorganizzano tra di loro. Le MANETs si mostrano particolarmente adatte ad esigenze temporanee di gruppi di utenti che vogliano condividere dati, scambiarsi messaggi, o altro. Uno dei principali interessi di ricerca nell’ambito delle reti MANETs ha riguardato storicamente lo studio dei protocolli di routing per l’instradamento delle informazioni fra nodi sorgente e nodi destinatari. In una rete MANET infatti, vista l’assenza di infrastruttura, ogni nodo è coinvolto nella funzione di instradamento. Negli ultimi anni tuttavia, un nuovo aspetto di ricerca sta acquistando sempre maggiore attenzione e riguarda la sperimentazione su testbed reali. Le poche esperienze sperimentali eseguite su MANETs hanno dimostrato l’inadeguatezza degli studi di tipo analitico-simulativo nel giudicare l’efficacia delle soluzioni progettate per reti MANETs. Questo è principalmente dovuto al fatto che gli scenari wireless sono estremamente complessi e soggetti a fenomeni di diversa natura che influiscono sulle comunicazioni ma che sono difficilmente condensabili in un modello analitico completo. I modelli esistenti nei simulatori attualmente diffusi sono spesso causa di errori nel validare o al contrario bocciare le soluzioni ed i protocolli testati. Le attività di sperimentazione su testbed reali hanno dunque un duplice scopo: i) validare protocolli e soluzioni proposte attualmente, e ii) gettare le basi per la costruizione di nuovi modelli analitici e simulativi che siano maggiormente attendibili di quelli attuali. L’esperienza condotta su di un testbed reale per reti ad hoc comprendente portatili e palmari fino ad un totale di 12 nodi, ha dimostrato l’efficacia delle implementazioni di due protocolli di routing: AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) ed OLSR (Optimized Link State Routing). Tuttavia, benchè entrambi siano funzionalmente corretti, mostrano comportamenti differenti quando usati per supportare servizi di livello middleware ed applicativi (vedi ad esempio file sharing o trasferimenti ftp). In particolare, i ritardi causati dalla scoperta delle rotte in AODV sono spesso causa di inefficienze o addirittura di interruzione del servizio. OLSR invece, seppure responsabile di un overhead di traffico maggiore, si mostra maggiormente adatto alle interazioni con i servizi dei livelli superiori. Infine, l’esperienza ha dimostrato la necessità di ripensare molti dei servizi disponibili su rete fissa per adeguarli alle caratteristiche delle reti wireless e particolarmente di quelle ad hoc. Una nuova tipologia di reti wireless sta emergendo attualmente e si sta rivelando di particolare interesse: quella delle reti opportunistiche. Le reti opportunistiche non si appoggiano su alcuna infrastruttura fissa, né cercano di autoconfigurarsi in una infrastruttura wireless temporanea costituita da nodi vicini. Sfruttano le opportunità di contatto che si verificano fra i nodi (dispositivi wireless di piccola taglia) trasportati dagli utenti nelle loro attività quotidiane (ad esempio a lavoro, sugli autobus, a scuola o all’università, ecc.). I messaggi sono scambiati ogni qualvolta si renda possibile, ovunque sia possibile ed il successo della loro trasmissione è strettamente legato alle dinamiche sociali in cui sono coinvolti gli utenti che trasportano i dispositivi ed alla storia degli incontri tra individui. Data la mobilità estremamente elevata che caratterizza questo nuovo scenario di reti, e la nota rumorosità delle comunicazioni wireless, l’affidabilità delle trasmissioni emerge come uno dei fattori di principale interesse. Infatti, le comunicazioni possono aver luogo soltanto durante i periodi di contatto tra i nodi e devono essere estremamente veloci ed efficaci. Questo porta a dover fare uno sforzo di progettazione per nuovi protocolli di comunicazione che si diversifichino da quelli oggi più diffusi e basati sulla ritrasmissione dei dati mancanti. Le ritrasmissioni infatti, nella maggior parte dei casi potrebbero non poter essere eseguite per mancanza di tempo. Una strategia valida per gestire l’affidabilità delle comunicazioni opportunistiche in simili scenari estremi (caratterizzati cioè da scarse risorse e scarsa connettività) prevede l’utilizzo combinato di tecniche di codifica dei dati e strategie di instradamento di tipo epidemico. Questo approccio sfrutta la ridondanza sia delle informazioni, sia dei percorsi. La ridondanza delle informazioni dà robustezza a fronte della perdita dei dati in rete poiché è necessario che soltanto un sottoinsieme dei codici generati arrivi a destinazione per consentire al ricostruzione corretta delle informazioni. La ridondanza dei percorsi invece è necessaria poichè non è possibile predirre in anticipo la sequenza dei contatti che può portare i dati a destinazione e pertanto è necessario distribuire l’informazione in più direzioni. Le reti opportunistiche caratterizzate dalla presenza di dispositivi con limitata autonomia energetica e risorse limitate, offrono attualmente lo scenario che meglio traduce il concetto di sistemi pervasivi. Di particolare interesse è il caso delle reti di sensori sparse in cui i sensori sono disposti nell’ambiente con funzione di monitoraggio ed i dati che collezionano vengono raccolti da degli agenti mobili che passano nelle vicinanze e che sono noti come data MULEs. I data MULEs possono utilizzare le informazioni acquisite dai sensori per eseguire applicazioni dipendenti dal contesto o possono semplicemente inoltrarle fino a quando raggiungono l’infrastruttura dove vengono elaborati e memorizzati. Le interazioni fra i sensori immersi nell’ambiente ed i data MULEs sono soltanto un primo passo di un sistema di comunicazione globale completamente opportunistico in cui i data MULEs scambiano l’un l’altro le informazioni che trasportano fino a quando infine, i dati pervengono alle destinazioni più lontane. In questo scenario, le comunicazioni wireless completano naturalmente le interazioni fra gli utenti e si verificano ogni qualvolta gli utenti si incontrano oppure si avvicinano casualmente l’un l’altro, dovunque questa interazione avvenga. Per supportare un simile framework, è necessario sviluppare nuovi paradigmi di comunicazione che tengano in considerazione l’assenza di link stabili tra i nodi che comunicano (connettività intermittente) e che assumano quindi la disponibilità di brevi periodi di contatto per comunicare. Inoltre i nuovi paradigmi di comunicazione devono generalmente assumere l’assenza di un percorso completo fra i nodi sorgente e destinatario e sfruttare invece forme di instradamento delle informazioni che sono simili al modo in cui avvengono le interazioni sociali fra le persone. Strategie di instradamento basate su codifica dei dati offrono una valida soluzione per supportare il framework emergente dei sistemi pervasivi

Routing in delay tolerant networks with periodic connections

In delay tolerant networks (DTNs), the network may not be fully connected at any instant of time, but connections occurring between nodes at different times make the network connected through the entire time continuum. In such a case, traditional routing methods fail to operate because there are no contemporaneous end-to-end paths between sources and destinations. This study examines the routing in DTNs where connections arise in a periodic nature. We analyze various levels of periodicity in order to meet the requirements of different network models. We propose different routing algorithms for different kinds of periodic connections. Our proposed routing methods guarantee the earliest delivery time and minimum hop-count, simultaneously. We evaluate our routing schemes via extensive simulation experiments and compare them to some other popular routing approaches proposed for DTNs. Our evaluations show the feasibility and effectiveness of our schemes as viable routing methods for delay tolerant networks. © 2015, Mergenci and Korpeoglu