Collaborative Communication And Storage In Energy-Synchronized Sensor Networks

In a battery-less sensor network, all the operation of sensor nodes are strictly constrained by and synchronized with the fluctuations of harvested energy, causing nodes to be disruptive from network and hence unstable network connectivity. Such wireless sensor network is named as energy-synchronized sensor networks. The unpredictable network disruptions and challenging communication environments make the traditional communication protocols inefficient and require a new paradigm-shift in design. In this thesis, I propose a set of algorithms on collaborative data communication and storage for energy-synchronized sensor networks. The solutions are based on erasure codes and probabilistic network codings. The proposed set of algorithms significantly improve the data communication throughput and persistency, and they are inherently amenable to probabilistic nature of transmission in wireless networks. The technical contributions explore collaborative communication with both no coding and network coding methods. First, I propose a collaborative data delivery protocol to exploit the optimal performance of multiple energy-synchronized paths without network coding, i.e. a new max-flow min-variance algorithm. In consort with this data delivery protocol, a localized TDMA MAC protocol is designed to synchronize nodes\u27 duty-cycles and mitigate media access contentions. However, the energy supply can change dynamically over time, making determined duty cycles synchronization difficult in practice. A probabilistic approach is investigated. Therefore, I present Opportunistic Network Erasure Coding protocol (ONEC), to collaboratively collect data. ONEC derives the probability distribution of coding degree in each node and enable opportunistic in-network recoding, and guarantee the recovery of original sensor data can be achieved with high probability upon receiving any sufficient amount of encoded packets. Next, OnCode, an opportunistic in-network data coding and delivery protocol is proposed to further improve data communication under the constraints of energy synchronization. It is resilient to packet loss and network disruptions, and does not require explicit end-to-end feedback message. Moreover, I present a network Erasure Coding with randomized Power Control (ECPC) mechanism for collaborative data storage in disruptive sensor networks. ECPC only requires each node to perform a single broadcast at each of its several randomly selected power levels. Thus it incurs very low communication overhead. Finally, I propose an integrated algorithm and middleware (Ravine Stream) to improve data delivery throughput as well as data persistency in energy-synchronized sensor network

Partial network coding: Theory and application for continuous sensor data collection

Abstract — Wireless sensor networks have been widely used for surveillance in harsh environments. In many such applications, the environmental data are continuously sensed, and data collection by a server is only performed occasionally. Hence, the sensor nodes have to temporarily store the data, and provide easy and on-hand access for the most updated data when the server approaches. Given the expensive server-to-sensor communications, the large amount of sensors and the limited storage space at each tiny sensor, continuous data collection becomes a challenging problem. In this paper, we present partial network coding (PNC) as a generic tool for the above applications. PNC generalizes the existing network coding (NC) paradigm, an elegant solution for ubiquitous data distribution and collection. Yet, PNC enables efficient storage replacement for continuous data, which is a major deficiency of the conventional NC. We prove that the performance of PNC is quite close to NC, except for a sublinear overhead on storage and communications. We then address a set of practical concerns toward PNC-based continuous data collection in sensor networks. Its feasibility and superiority are further demonstrated through simulation results. I

Collaborative Coding Techniques with Analog Network Coding in Wireless Y-Channel-Relay Networks

After channel coding reached near Shannon-limit performance with the introduction of Turbo codes and Low-Density Parity-Check (LDPC) codes, research moved on to network coding techniques to enhance overall network performance. The most recent and novel of those approaches is the idea of Physical (Analog) Network Coding which embraces interference from other users, mixes signals in the channel rather than in a relay, and can theoretically increase throughput in the two-way relay channel by up to two folds. In this thesis, we explore this idea, and analyze the theoretical gains of using network coding in a Y-Channel problem - where three users communicate through a common relay. We study existing collaborative coding techniques for the Y-Channel like nested recursive convolutional codes, and Combined Network Channel (CNC). After that, we introduce enhanced nested codes based on turbo codes that achieve good performance in poor SINR conditions. In addition, we propose a novel equal-rate collaborative coding scheme based on algebraic linear block codes. This scheme is simpler to implement than CNC, yet its burst-traffic performance is better than any of the studied solutions. In theory, this code reduces the number of transmission timeslots by up to three folds. Finally, we put forward practical scenarios where physical network coding can be harnessed – mainly in Long Term Evolution (LTE) Multicast (eMBMS), and opportunistic routing in Wireless Mesh Networks

Hybrid Satellite-Terrestrial Communication Networks for the Maritime Internet of Things: Key Technologies, Opportunities, and Challenges

With the rapid development of marine activities, there has been an increasing number of maritime mobile terminals, as well as a growing demand for high-speed and ultra-reliable maritime communications to keep them connected. Traditionally, the maritime Internet of Things (IoT) is enabled by maritime satellites. However, satellites are seriously restricted by their high latency and relatively low data rate. As an alternative, shore & island-based base stations (BSs) can be built to extend the coverage of terrestrial networks using fourth-generation (4G), fifth-generation (5G), and beyond 5G services. Unmanned aerial vehicles can also be exploited to serve as aerial maritime BSs. Despite of all these approaches, there are still open issues for an efficient maritime communication network (MCN). For example, due to the complicated electromagnetic propagation environment, the limited geometrically available BS sites, and rigorous service demands from mission-critical applications, conventional communication and networking theories and methods should be tailored for maritime scenarios. Towards this end, we provide a survey on the demand for maritime communications, the state-of-the-art MCNs, and key technologies for enhancing transmission efficiency, extending network coverage, and provisioning maritime-specific services. Future challenges in developing an environment-aware, service-driven, and integrated satellite-air-ground MCN to be smart enough to utilize external auxiliary information, e.g., sea state and atmosphere conditions, are also discussed

Quality of Information in Mobile Crowdsensing: Survey and Research Challenges

Smartphones have become the most pervasive devices in people's lives, and are clearly transforming the way we live and perceive technology. Today's smartphones benefit from almost ubiquitous Internet connectivity and come equipped with a plethora of inexpensive yet powerful embedded sensors, such as accelerometer, gyroscope, microphone, and camera. This unique combination has enabled revolutionary applications based on the mobile crowdsensing paradigm, such as real-time road traffic monitoring, air and noise pollution, crime control, and wildlife monitoring, just to name a few. Differently from prior sensing paradigms, humans are now the primary actors of the sensing process, since they become fundamental in retrieving reliable and up-to-date information about the event being monitored. As humans may behave unreliably or maliciously, assessing and guaranteeing Quality of Information (QoI) becomes more important than ever. In this paper, we provide a new framework for defining and enforcing the QoI in mobile crowdsensing, and analyze in depth the current state-of-the-art on the topic. We also outline novel research challenges, along with possible directions of future work.Comment: To appear in ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN

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

Opportunistic Routing with Network Coding in Powerline Communications

Opportunistic Routing (OR) can be used as an alternative to the legacy routing (LR) protocols in networks with a broadcast lossy channel and possibility of overhearing the signal. The power line medium creates such an environment. OR can better exploit the channel than LR because it allows the cooperation of all nodes that receive any data. With LR, only a chain of nodes is selected for communication. Other nodes drop the received information. We investigate OR for the one-source one-destination scenario with one traffic flow. First, we evaluate the upper bound on the achievable data rate and advocate the decentralized algorithm for its calculation. This knowledge is used in the design of Basic Routing Rules (BRR). They use the link quality metric that equals the upper bound on the achievable data rate between the given node and the destination. We call it the node priority. It considers the possibility of multi-path communication and the packet loss correlation. BRR allows achieving the optimal data rate pertaining certain theoretical assumptions. The Extended BRR (BRR-E) are free of them. The major difference between BRR and BRR-E lies in the usage of Network Coding (NC) for prognosis of the feedback. In this way, the protocol overhead can be severely reduced. We also study Automatic Repeat-reQuest (ARQ) mechanism that is applicable with OR. It differs to ARQ with LR in that each sender has several sinks and none of the sinks except destination require the full recovery of the original message. Using BRR-E, ARQ and other services like network initialization and link state control, we design the Advanced Network Coding based Opportunistic Routing protocol (ANChOR). With the analytic and simulation results we demonstrate the near optimum performance of ANChOR. For the triangular topology, the achievable data rate is just 2% away from the theoretical maximum and it is up to 90% higher than it is possible to achieve with LR. Using the G.hn standard, we also show the full protocol stack simulation results (including IP/UDP and realistic channel model). In this simulation we revealed that the gain of OR to LR can be even more increased by reducing the head-of-the-line problem in ARQ. Even considering the ANChOR overhead through additional headers and feedbacks, it outperforms the original G.hn setup in data rate up to 40% and in latency up to 60%.:1 Introduction 2 1.1 Intra-flow Network Coding 6 1.2 Random Linear Network Coding (RLNC) 7 2 Performance Limits of Routing Protocols in PowerLine Communications (PLC) 13 2.1 System model 14 2.2 Channel model 14 2.3 Upper bound on the achievable data rate 16 2.4 Achieving the upper bound data rate 17 2.5 Potential gain of Opportunistic Routing Protocol (ORP) over Common Single-path Routing Protocol (CSPR) 19 2.6 Evaluation of ORP potential 19 3 Opportunistic Routing: Realizations and Challenges 24 3.1 Vertex priority and cooperation group 26 3.2 Transmission policy in idealized network 34 3.2.1 Basic Routing Rules (BRR) 36 3.3 Transmission policy in real network 40 3.3.1 Purpose of Network Coding (NC) in ORP 41 3.3.2 Extended Basic Routing Rules (BRR) (BRR-E) 43 3.4 Automatic ReQuest reply (ARQ) 50 3.4.1 Retransmission request message contents 51 3.4.2 Retransmission Request (RR) origination and forwarding 66 3.4.3 Retransmission response 67 3.5 Congestion control 68 3.5.1 Congestion control in our work 70 3.6 Network initialization 74 3.7 Formation of the cooperation groups (coalitions) 76 3.8 Advanced Network Coding based Opportunistic Routing protocol (ANChOR) header 77 3.9 Communication of protocol information 77 3.10 ANChOR simulation . .79 3.10.1 ANChOR information in real time .80 3.10.2 Selection of the coding rate 87 3.10.3 Routing Protocol Information (RPI) broadcasting frequency 89 3.10.4 RR contents 91 3.10.5 Selection of RR forwarder 92 3.10.6 ANChOR stability 92 3.11 Summary 95 4 ANChOR in the Gigabit Home Network (G.hn) Protocol 97 4.1 Compatibility with the PLC protocol stack 99 4.2 Channel and noise model 101 4.2.1 In-home scenario 102 4.2.2 Access network scenario 102 4.3 Physical layer (PHY) layer implementation 102 4.3.1 Bit Allocation Algorithm (BAA) 103 4.4 Multiple Access Control layer (MAC) layer 109 4.5 Logical Link Control layer (LLC) layer 111 4.5.1 Reference Automatic Repeat reQuest (ARQ) 111 4.5.2 Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) in ANChOR 114 4.5.3 Modeling Protocol Data Unit (PDU) erasures on LLC 116 4.6 Summary 117 5 Study of G.hn with ANChOR 119 5.1 ARQ analysis 119 5.2 Medium and PHY requirements for “good” cooperation 125 5.3 Access network scenario 128 5.4 In-home scenario 135 5.4.1 Modeling packet erasures 136 5.4.2 Linear Dependence Ratio (LDR) 139 5.4.3 Worst case scenario 143 5.4.4 Analysis of in-home topologies 145 6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . 154 A Proof of the neccessity of the exclusion rule 160 B Gain of ORPs to CSRPs 163 C Broadcasting rule 165 D Proof of optimality of BRR for triangular topology 167 E Reducing the retransmission probability 168 F Calculation of Expected Average number of transmissions (EAX) for topologies with bi-directional links 170 G Feedback overhead of full coding matrices 174 H Block diagram of G.hn physical layer in ns-3 model 175 I PER to BER mapping 17

Community computation

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Materials Science and Engineering, 2009.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 171-186).In this thesis we lay the foundations for a distributed, community-based computing environment to tap the resources of a community to better perform some tasks, either computationally hard or economically prohibitive, or physically inconvenient, that one individual is unable to accomplish efficiently. We introduce community coding, where information systems meet social networks, to tackle some of the challenges in this new paradigm of community computation. We design algorithms, protocols and build system prototypes to demonstrate the power of community computation to better deal with reliability, scalability and security issues, which are the main challenges in many emerging community-computing environments, in several application scenarios such as community storage, community sensing and community security. For example, we develop a community storage system that is based upon a distributed P2P (peer-to-peer) storage paradigm, where we take an array of small, periodically accessible, individual computers/peer nodes and create a secure, reliable and large distributed storage system. The goal is for each one of them to act as if they have immediate access to a pool of information that is larger than they could hold themselves, and into which they can contribute new stuff in a both open and secure manner. Such a contributory and self-scaling community storage system is particularly useful where reliable infrastructure is not readily available in that such a system facilitates easy ad-hoc construction and easy portability. In another application scenario, we develop a novel framework of community sensing with a group of image sensors. The goal is to present a set of novel tools in which software, rather than humans, examines the collection of images sensed by a group of image sensors to determine what is happening in the field of view. We also present several design principles in the aspects of community security. In one application example, we present community-based email spain detection approach to deal with email spams more efficiently.by Fulu Li.Ph.D