A COMMUNICATION FRAMEWORK FOR MULTIHOP WIRELESS ACCESS AND SENSOR NETWORKS: ANYCAST ROUTING & SIMULATION TOOLS

The reliance on wireless networks has grown tremendously within a number of varied application domains, prompting an evolution towards the use of heterogeneous multihop network architectures. We propose and analyze two communication frameworks for such networks. A first framework is designed for communications within multihop wireless access networks. The framework supports dynamic algorithms for locating access points using anycast routing with multiple metrics and balancing network load. The evaluation shows significant performance improvement over traditional solutions. A second framework is designed for communication within sensor networks and includes lightweight versions of our algorithms to fit the limitations of sensor networks. Analysis shows that this stripped down version can work almost equally well if tailored to the needs of a sensor network. We have also developed an extensive simulation environment using NS-2 to test realistic situations for the evaluations of our work. Our tools support analysis of realistic scenarios including the spreading of a forest fire within an area, and can easily be ported to other simulation software. Lastly, we us our algorithms and simulation environment to investigate sink movements optimization within sensor networks. Based on these results, we propose strategies, to be addressed in follow-on work, for building topology maps and finding optimal data collection points. Altogether, the communication framework and realistic simulation tools provide a complete communication and evaluation solution for access and sensor networks

Let the Tree Bloom: Scalable Opportunistic Routing with ORPL

Routing in battery-operated wireless networks is challenging, posing a tradeoff between energy and latency. Previous work has shown that opportunistic routing can achieve low-latency data collection in duty-cycled networks. However, applications are now considered where nodes are not only periodic data sources, but rather addressable end points generating traffic with arbitrary patterns. We present ORPL, an opportunistic routing protocol that supports any-to-any, on-demand traffic. ORPL builds upon RPL, the standard protocol for low-power IPv6 networks. By combining RPL's tree-like topology with opportunistic routing, ORPL forwards data to any destination based on the mere knowledge of the nodes' sub-tree. We use bitmaps and Bloom filters to represent and propagate this information in a space-efficient way, making ORPL scale to large networks of addressable nodes. Our results in a 135-node testbed show that ORPL outperforms a number of state-of-the-art solutions including RPL and CTP, conciliating a sub-second latency and a sub-percent duty cycle. ORPL also increases robustness and scalability, addressing the whole network reliably through a 64-byte Bloom filter, where RPL needs kilobytes of routing tables for the same task

Low Power, Low Delay: Opportunistic Routing meets Duty Cycling

Traditionally, routing in wireless sensor networks consists of two steps: First, the routing protocol selects a next hop, and, second, the MAC protocol waits for the intended destination to wake up and receive the data. This design makes it difficult to adapt to link dynamics and introduces delays while waiting for the next hop to wake up. In this paper we introduce ORW, a practical opportunistic routing scheme for wireless sensor networks. In a dutycycled setting, packets are addressed to sets of potential receivers and forwarded by the neighbor that wakes up first and successfully receives the packet. This reduces delay and energy consumption by utilizing all neighbors as potential forwarders. Furthermore, this increases resilience to wireless link dynamics by exploiting spatial diversity. Our results show that ORW reduces radio duty-cycles on average by 50% (up to 90% on individual nodes) and delays by 30% to 90% when compared to the state of the art

Contribution to the design of VANET routing protocols for realistic urban environments

One of the main concerns of the cities' administration is mobility management. In Intelligent Transportation Systems (ITS), pedestrians, vehicles and public transportation systems could share information and react to any situation in the city. The information sensed by vehicles could be useful for other vehicles and for the mobility authorities. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) make possible the communication between vehicles (V2I) and also between vehicles and fixed infrastructure (V2I) managed by the city's authorities. In addition, VANET routing protocols minimize the use of fixed infrastructure since they employ multi-hop V2V communication to reach reporting access points of the city. This thesis aims to contribute in the design of VANET routing protocols to enable reporting services (e.g., vehicular traffic notifications) in urban environments. The first step to achieve this global objective has been the study of components and tools to mimic a realistic VANET scenario. Moreover, we have analyzed the impact of the realism of each one of those components in the simulation results. Then, we have improved the Address Resolution procedure in VANETs by including it in the routing signaling messages. Our approach simplifies the VANET operation and increases the packet delivery ratio as consequence. Afterwards, we have tackled the issue of having duplicate packets in unicast communications and we have proposed routing filters to lower their presence. This way we have been able to increase the available bandwidth and reduce the average packet delay with a slight increase of the packet losses. Besides, we have proposed a Multi-Metric Map aware routing protocol (MMMR) that incorporates four routing metrics (distance, trajectory, vehicle density and available bandwidth) to take the forwarding decisions. With the aim of increasing the number of delivered packets in MMMR, we have developed a Geographical Heuristic Routing (GHR) algorithm. GHR integrates Tabu and Simulated Annealing heuristic optimization techniques to adapt its behavior to the specific scenario characteristics. GHR is generic because it could use any geographical routing protocol to take the forwarding decisions. Additionally, we have designed an easy to implement forwarding strategy based on an extended topology information area of two hops, called 2-hops Geographical Anycast Routing (2hGAR) protocol. Results show that controlled randomness introduced by GHR improves the default operation of MMMR. On the other hand, 2hGAR presents lower delays than GHR and higher packet delivery ratio, especially in high density scenarios. Finally, we have proposed two mixed (integer and linear) optimization models to detect the best positions in the city to locate the Road Side Units (RSUs) which are in charge of gathering all the reporting information generated by vehicles.Una de las principales preocupaciones en la administración de las ciudades es la gestión de la movilidad de sus vehículos, debido a los problemas de tráfico como atascos y accidentes. En los sistemas inteligentes de transporte (SIT), peatones, vehículos y transporte público podrán compartir información y adaptarse a cualquier situación que suceda en la ciudad. La información obtenida por los sensores de los vehículos puede ser útil para otros vehículos y para las autoridades de movilidad. Las redes ad hoc vehiculares (VANETs) hacen posible la comunicación entre los propios vehículos (V2V) y entre vehículos y la infraestructura fija de la red de la ciudad (V2I). Asimismo, los protocolos de encaminamiento para redes vehiculares minimizan el uso de infraestructura fija de red, ya que los protocolos de encaminamiento VANET emplean comunicaciones multisalto entre vehículos para encaminar los mensajes hasta los puntos de acceso de la red en la ciudad. El objetivo de esta tesis doctoral es contribuir en el diseño de protocolos de encaminamiento en redes ad hoc vehiculares para servicios de notificaciones (p.ej. reportes del estado del tráfico) en entornos urbanos. El primer paso para alcanzar este objetivo general ha sido el estudio de componentes y herramientas para simular un escenario realista de red ad hoc vehicular. Además, se ha analizado el impacto del nivel de realismo de cada uno de los componentes de simulación en los resultados obtenidos. Así también, se ha propuesto un mecanismo de resolución de direcciones automático y coherente para redes VANET a través del uso de los propios mensajes de señalización de los protocolos de encaminamiento. Esta mejora simplifica la operación de una red ad hoc vehicular y como consecuencia aumenta la tasa de recepción de paquetes. A continuación, se ha abordado el problema de la aparición inesperada de paquetes de datos duplicados en una comunicación punto a punto. Para ello, se ha propuesto el filtrado de paquetes duplicados a nivel del protocolo de encaminamiento. Esto ha producido un incremento del ancho disponible en el canal y una reducción del retardo medio en la trasmisión de un paquete, a costa de un mínimo aumento de la pérdida de paquetes. Por otra parte, hemos propuesto un protocolo de encaminamiento multi-métrica MMMR (Multi-Metric Map-aware Routing protocol), el cual incorpora cuatro métricas (distancia al destino, trayectoria, densidad de vehículos y ancho de banda) en las decisiones de encaminamiento. Con el objetivo de aumentar la tasa de entrega de paquetes en MMMR, hemos desarrollado un algoritmo heurístico de encaminamiento geográfico denominado GHR (Geographical Heuristic Routing). Esta propuesta integra las técnicas de optimización Tabu y Simulated Annealing, que permiten a GHR adaptarse a las características específicas del escenario. Adicionalmente, hemos propuesto 2hGAR (2-hops Geographical Anycast Routing), un protocolo de encaminamiento anycast que emplea información de la topología de red a dos saltos de distancia para tomar la decisión de encaminamiento de los mensajes. Los resultados muestran que la aleatoriedad controlada de GHR en su operación mejora el rendimiento de MMMR. Asimismo, 2hGAR presenta retardos de paquete menores a los obtenidos por GHR y una mayor tasa de paquetes entregados, especialmente en escenarios con alta densidad de vehículos. Finalmente, se han propuesto dos modelos de optimización mixtos (enteros y lineales) para detectar los mejores lugares de la ciudad donde ubicar los puntos de acceso de la red, los cuales se encargan de recolectar los reportes generados por los vehículos.Postprint (published version

Design and stochastic analysis of emerging large-scale wireless-powered sensor networks

Undeniably, the progress in wireless networks during the last two decades is extraordinary. However, the ever-increasing upward trend in the numbers of wireless devices that will overwhelm every field of our everyday life, e.g., building automation, traffic management, health-care, etc., will introduce several issues in terms of communication and energy provision that need to be handled in advance. Regarding the communication issues, it is imperative to ensure the correct operation of the vast collection of nodes, especially for life-critical applications. Two well-known metrics that can characterize sufficiently the network reliability are the coverage and the connectivity probability that are derived by taking into account the network topology, the channel conditions between every transmitter-receiver pair, and the interference from other nodes. Nevertheless, considering all those factors is not straightforward. Lately, stochastic geometry has come into prominence, which is a mathematical tool to study the average network performance over many spatial realizations, while considering all aforementioned factors. Moreover, the other crucial issue for the large-scale dense network deployments of the future is their energy supply. Traditional battery charging or swapping for the wireless devices is both inconvenient and harms the environment, especially if we take into account the enormous numbers of nodes. Therefore, novel solutions have to be found using renewable energy sources to zero down the significant electricity consumption. Wireless energy harvesting is a convenient and environmentally-friendly approach to prolong the lifetime of networks by harvesting the energy from radio-frequency (RF) signals and converting it to direct current electricity through specialized hardware. The RF energy could be harvested from signals generated in the same or other networks. However, if the amount of harvested energy is not sufficient, solar-powered dedicated transmitters could be employed. In this way, we can achieve a favorable outcome by having both a zero-energy network operation and convenience in the charging of the wireless devices. Still, extensive investigation should be done in order to ensure that the communication performance is not affected. To that end, in this thesis, we study the communication performance in large-scale networks using tools from stochastic geometry. The networks that we study comprise wireless devices that are able to harvest the energy of RF signals. In the first part of the thesis, we present the effects of wireless energy harvesting from the transmissions of the cooperative network on the coverage probability and the network lifetime. In the second part of the thesis, we first employ batteryless nodes that are powered by dedicated RF energy transmitters to study the connectivity probability. Then, we assume that the dedicated transmitters are powered by solar energy to study the connectivity in a clustered network and investigate, for the first time, the reliability of zero-energy networks. Finally, we conclude the thesis by providing insightful research challenges for future works.Innegablemente, el progreso en las redes inalámbricas durante las últimas dos décadas es extraordinario. Sin embargo, la creciente tendencia al alza en el número de dispositivos inalámbricos que abarcarán todos los ámbitos de nuestra vida cotidiana, como la automatización de edificios, la gestión del tráfico, la atención sanitaria, etc., introducirá varias cuestiones en términos de comunicación y suministro de energía que se debe tener en cuenta con antelación. Respecto a los problemas de comunicación, es imprescindible asegurar el correcto funcionamiento de la vasta colección de nodos, especialmente para las aplicaciones vitales. Dos métricas bien conocidas que pueden caracterizar suficientemente la fiabilidad de la red son la probabilidad de cobertura y la de conectividad, que se derivan teniendo en cuenta la topología de la red, las condiciones del canal entre cada par transmisor-receptor y la interferencia de otros nodos. Sin embargo, considerar todos esos factores no es sencillo. Últimamente, la geometría estocástica ha llegado a la prominencia como un metodo de análisis, que es una herramienta matemática para estudiar el rendimiento promedio de la red sobre muchas realizaciones espaciales, teniendo en cuenta todos los factores mencionados. Además, la otra cuestión crucial para los despliegues de alta densidad de las redes futuras es su suministro de energía. La carga o el intercambio de baterías para los dispositivos inalámbricos es inconveniente y daña el medio ambiente, especialmente si tenemos en cuenta el enorme número de nodos utilizados. Por lo tanto, se deben encontrar nuevas soluciones utilizando fuentes de energía renovables para reducir el consumo de electricidad. La recolección de energía inalámbrica es un método conveniente y respetuoso con el medio ambiente para prolongar la vida útil de las redes recolectando la energía de las señales de radiofrecuencia (RF) y convirtiéndola en electricidad de corriente continua mediante un hardware especializado. La energía de RF podría ser obtenida a partir de señales generadas en la misma o en otras redes. Sin embargo, si la cantidad de energía obtenida no es suficiente, podrían emplearse transmisores de energía inalambricos que la obtuvieran mediante paneles fotovoltaicos. De esta manera, podemos lograr un resultado favorable teniendo tanto una operación de red de energía cero como una conveniencia en la carga de los dispositivos inalámbricos. Por lo tanto, una investigación exhaustiva debe hacerse con el fin de garantizar que el rendimiento de la comunicación no se ve afectada. En esta tesis se estudia el rendimiento de la comunicación en redes de gran escala utilizando técnicas de geometría estocástica. Las redes que se estudian comprenden dispositivos inalámbricos capaces de recoger la energía de las señales RF. En la primera parte de la tesis, presentamos los efectos de la recolección de energía inalámbrica de las transmisiones de la red cooperativa sobre la probabilidad de cobertura y la vida útil de la red. En la segunda parte de la tesis, primero empleamos nodos sin baterías que son alimentados por transmisores de energía de RF para estudiar la probabilidad de conectividad. A continuación, asumimos que los transmisores dedicados son alimentados por energía solar para estudiar la conectividad en una red agrupada (clustered network) e investigar, por primera vez, la fiabilidad de las redes de energía cero. Finalmente, concluimos la tesis aportando nuevas lineas de investigación para trabajos futuro

Design and stochastic analysis of emerging large-scale wireless-powered sensor networks

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2016-2017. Àmbit d’Enginyeria de les TICUndeniably, the progress in wireless networks during the last two decades is extraordinary. However, the ever-increasing upward trend in the numbers of wireless devices that will overwhelm every field of our everyday life, e.g., building automation, traffic management, health-care, etc., will introduce several issues in terms of communication and energy provision that need to be handled in advance. Regarding the communication issues, it is imperative to ensure the correct operation of the vast collection of nodes, especially for life-critical applications. Two well-known metrics that can characterize sufficiently the network reliability are the coverage and the connectivity probability that are derived by taking into account the network topology, the channel conditions between every transmitter-receiver pair, and the interference from other nodes. Nevertheless, considering all those factors is not straightforward. Lately, stochastic geometry has come into prominence, which is a mathematical tool to study the average network performance over many spatial realizations, while considering all aforementioned factors. Moreover, the other crucial issue for the large-scale dense network deployments of the future is their energy supply. Traditional battery charging or swapping for the wireless devices is both inconvenient and harms the environment, especially if we take into account the enormous numbers of nodes. Therefore, novel solutions have to be found using renewable energy sources to zero down the significant electricity consumption. Wireless energy harvesting is a convenient and environmentally-friendly approach to prolong the lifetime of networks by harvesting the energy from radio-frequency (RF) signals and converting it to direct current electricity through specialized hardware. The RF energy could be harvested from signals generated in the same or other networks. However, if the amount of harvested energy is not sufficient, solar-powered dedicated transmitters could be employed. In this way, we can achieve a favorable outcome by having both a zero-energy network operation and convenience in the charging of the wireless devices. Still, extensive investigation should be done in order to ensure that the communication performance is not affected. To that end, in this thesis, we study the communication performance in large-scale networks using tools from stochastic geometry. The networks that we study comprise wireless devices that are able to harvest the energy of RF signals. In the first part of the thesis, we present the effects of wireless energy harvesting from the transmissions of the cooperative network on the coverage probability and the network lifetime. In the second part of the thesis, we first employ batteryless nodes that are powered by dedicated RF energy transmitters to study the connectivity probability. Then, we assume that the dedicated transmitters are powered by solar energy to study the connectivity in a clustered network and investigate, for the first time, the reliability of zero-energy networks. Finally, we conclude the thesis by providing insightful research challenges for future works.Innegablemente, el progreso en las redes inalámbricas durante las últimas dos décadas es extraordinario. Sin embargo, la creciente tendencia al alza en el número de dispositivos inalámbricos que abarcarán todos los ámbitos de nuestra vida cotidiana, como la automatización de edificios, la gestión del tráfico, la atención sanitaria, etc., introducirá varias cuestiones en términos de comunicación y suministro de energía que se debe tener en cuenta con antelación. Respecto a los problemas de comunicación, es imprescindible asegurar el correcto funcionamiento de la vasta colección de nodos, especialmente para las aplicaciones vitales. Dos métricas bien conocidas que pueden caracterizar suficientemente la fiabilidad de la red son la probabilidad de cobertura y la de conectividad, que se derivan teniendo en cuenta la topología de la red, las condiciones del canal entre cada par transmisor-receptor y la interferencia de otros nodos. Sin embargo, considerar todos esos factores no es sencillo. Últimamente, la geometría estocástica ha llegado a la prominencia como un metodo de análisis, que es una herramienta matemática para estudiar el rendimiento promedio de la red sobre muchas realizaciones espaciales, teniendo en cuenta todos los factores mencionados. Además, la otra cuestión crucial para los despliegues de alta densidad de las redes futuras es su suministro de energía. La carga o el intercambio de baterías para los dispositivos inalámbricos es inconveniente y daña el medio ambiente, especialmente si tenemos en cuenta el enorme número de nodos utilizados. Por lo tanto, se deben encontrar nuevas soluciones utilizando fuentes de energía renovables para reducir el consumo de electricidad. La recolección de energía inalámbrica es un método conveniente y respetuoso con el medio ambiente para prolongar la vida útil de las redes recolectando la energía de las señales de radiofrecuencia (RF) y convirtiéndola en electricidad de corriente continua mediante un hardware especializado. La energía de RF podría ser obtenida a partir de señales generadas en la misma o en otras redes. Sin embargo, si la cantidad de energía obtenida no es suficiente, podrían emplearse transmisores de energía inalambricos que la obtuvieran mediante paneles fotovoltaicos. De esta manera, podemos lograr un resultado favorable teniendo tanto una operación de red de energía cero como una conveniencia en la carga de los dispositivos inalámbricos. Por lo tanto, una investigación exhaustiva debe hacerse con el fin de garantizar que el rendimiento de la comunicación no se ve afectada. En esta tesis se estudia el rendimiento de la comunicación en redes de gran escala utilizando técnicas de geometría estocástica. Las redes que se estudian comprenden dispositivos inalámbricos capaces de recoger la energía de las señales RF. En la primera parte de la tesis, presentamos los efectos de la recolección de energía inalámbrica de las transmisiones de la red cooperativa sobre la probabilidad de cobertura y la vida útil de la red. En la segunda parte de la tesis, primero empleamos nodos sin baterías que son alimentados por transmisores de energía de RF para estudiar la probabilidad de conectividad. A continuación, asumimos que los transmisores dedicados son alimentados por energía solar para estudiar la conectividad en una red agrupada (clustered network) e investigar, por primera vez, la fiabilidad de las redes de energía cero. Finalmente, concluimos la tesis aportando nuevas lineas de investigación para trabajos futurosAward-winningPostprint (published version

Communication protocols for energy constrained networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH