Comparison studies of MANET-satellite and MANET-cellular networks integrations

A mobile ad hoc network (MANET) is a self-configuring infrastructure-less network. Taking advantage of spontaneous and infrastructure-less behavior, MANET can be integrated with satellite network to provide world-wide communication for emergency and disaster relieve services and can also be integrated with cellular network for mobile data offloading. To achieve different purposes, different architecture of integrated system, protocols and mechanisms are designed. For emergency services, ubiquitous and robust communications are of paramount importance. For mobile data offloading services, emphasis is amount of offloaded data, limited storage and energy of mobile devices. It is important to study the common features and distinguish of the architecture and service considerations for further research in the two integrated systems. In this paper, we study common issues and distinguish between two systems in terms of routing protocol, QoS provision, energy efficiency, privacy protection and resource management. The future research can benefit from taking advantage of the similarity of two systems and address the relevant issues

An overview of VANET vehicular networks

Today, with the development of intercity and metropolitan roadways and with various cars moving in various directions, there is a greater need than ever for a network to coordinate commutes. Nowadays, people spend a lot of time in their vehicles. Smart automobiles have developed to make that time safer, more effective, more fun, pollution-free, and affordable. However, maintaining the optimum use of resources and addressing rising needs continues to be a challenge given the popularity of vehicle users and the growing diversity of requests for various services. As a result, VANET will require modernized working practices in the future. Modern intelligent transportation management and driver assistance systems are created using cutting-edge communication technology. Vehicular Ad-hoc networks promise to increase transportation effectiveness, accident prevention, and pedestrian comfort by allowing automobiles and road infrastructure to communicate entertainment and traffic information. By constructing thorough frameworks, workflow patterns, and update procedures, including block-chain, artificial intelligence, and SDN (Software Defined Networking), this paper addresses VANET-related technologies, future advances, and related challenges. An overview of the VANET upgrade solution is given in this document in order to handle potential future problems

Simulation and Evaluation of Wired and Wireless Networks with NS2, NS3 and OMNET++

Communication systems are emerging rapidly with the revolutionary growth in terms of networking protocols, wired and wireless technologies, user applications and other IEEE standards. Numbers of industrial as well as academic organizations around the globe are bringing in light new innovations and ideas in the field of communication systems. These innovations and ideas require intense evaluation at initial phases of development with the use of real systems in place. Usually the real systems are expensive and not affordable for the evaluation. In this case, network simulators provide a complete cost-effective testbed for the simulation and evaluation of the underlined innovations and ideas. In past, numerous studies were conducted for the performance evaluation of network simulators based on CPU and memory utilization. However, performance evaluation based on other metrics such as congestion window, throughput, delay, packet delivery ratio and packet loss ratio was not conducted intensively. In this thesis, network simulators such as NS2, NS3 and OMNET++ will be evaluated and compared for wired and wireless networks based on congestion window, throughput, delay, packet delivery and packet loss ratio. In the theoretical part, information will be provided about the wired and wireless networks and mathematical interpretation of various components used for these networks. Furthermore, technical details about the network simulators will be presented including architectural design, programming languages and platform libraries. Advantages and disadvantages of these network simulators will also be highlighted. In the last part, the details about the experiments and analysis conducted for wired and wireless networks will be provided. At the end, findings will be concluded and future prospects of the study will be advised.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Study of the Scalability of Modified AODV-UU Routing Protocol for the Smart Grid Application

Smart grid (SG) is said to be the grid of the 21 st century. In SG, networking and communication facilities are included with the conventional grid system, and it allows the flexibilities of distributed control, power generation and load management. All of these issues can suitably be controlled by the efficient design of SG. The success of SG depends on the success of efficient networking of connected nodes and loads. In this thesis, wireless sensors has been considered as SG sensing nodes, and adhoc on demand distance vector (AODV) routing has been considered as the networking protocol for SG. The scalability of AODV has been studied in the simulation environment. We have proposed a modified AODV protocol for the SG application which is based on the concept of making some nodes more intelligent than others. The obtained simulation result shows a significant reduction of delays in the proposed system

Diseño de mecanismos para el desarrollo de sistemas seguros con calidad de servicio (QoS)

Seguridad y Calidad de Servicio (QoS) son aspectos ampliamente confrontados. En esta tesis se realiza un análisis detallado de las características y requisitos de seguridad y QoS en las redes candidatas a formar parte de la Internet del Futuro (IF) y de la Internet de los Objetos (IdO), así como de los mecanismos actuales para el análisis de la compensación entre mecanismos de seguridad y QoS. De este estudio se desprende la necesidad de definir nuevos modelos para la evaluación del impacto entre mecanismos de seguridad y QoS, dado que la mayor parte de los estudios centra sus esfuerzos en entornos específicos y características determinadas que no pueden ser fácilmente mapeadas a otros entornos, o cambiar dinámicamente. Por ello definimos un modelo para la composición de esquemas de definición paramétrica basado en el contexto, definido por sus siglas en inglés, Context-based Parametric Relationship Model (CPRM). Este modelo es implementado en una herramienta para la evaluación de mecanismos de Seguridad y QoS (SQT), y su rendimiento evaluado en base a la información integrada en los contextos y la dependencia paramétrica. Finalmente, para mejorar la visualización de los resultados y agilizar la comprensión del modelo definimos un sistema de recomendaciones para la herramienta SQT (SQT-RS). El análisis del modelo y de la herramienta se realiza empleando dos casos base dentro de escenarios del FI: mecanismos de autenticación en redes de sensores (WSN) y recomendaciones para la composición de mecanismos en escenarios de 5G Green sometidos a eavesdropping y jamming

Dynamic services in mobile ad hoc networks

The increasing diffusion of wireless-enabled portable devices is pushing toward the design of novel service scenarios, promoting temporary and opportunistic interactions in infrastructure-less environments. Mobile Ad Hoc Networks (MANET) are the general model of these higly dynamic networks that can be specialized, depending on application cases, in more specific and refined models such as Vehicular Ad Hoc Networks and Wireless Sensor Networks. Two interesting deployment cases are of increasing relevance: resource diffusion among users equipped with portable devices, such as laptops, smart phones or PDAs in crowded areas (termed dense MANET) and dissemination/indexing of monitoring information collected in Vehicular Sensor Networks. The extreme dynamicity of these scenarios calls for novel distributed protocols and services facilitating application development. To this aim we have designed middleware solutions supporting these challenging tasks. REDMAN manages, retrieves, and disseminates replicas of software resources in dense MANET; it implements novel lightweight protocols to maintain a desired replication degree despite participants mobility, and efficiently perform resource retrieval. REDMAN exploits the high-density assumption to achieve scalability and limited network overhead. Sensed data gathering and distributed indexing in Vehicular Networks raise similar issues: we propose a specific middleware support, called MobEyes, exploiting node mobility to opportunistically diffuse data summaries among neighbor vehicles. MobEyes creates a low-cost opportunistic distributed index to query the distributed storage and to determine the location of needed information. Extensive validation and testing of REDMAN and MobEyes prove the effectiveness of our original solutions in limiting communication overhead while maintaining the required accuracy of replication degree and indexing completeness, and demonstrates the feasibility of the middleware approach

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

Mobile Networks

The growth in the use of mobile networks has come mainly with the third generation systems and voice traffic. With the current third generation and the arrival of the 4G, the number of mobile users in the world will exceed the number of landlines users. Audio and video streaming have had a significant increase, parallel to the requirements of bandwidth and quality of service demanded by those applications. Mobile networks require that the applications and protocols that have worked successfully in fixed networks can be used with the same level of quality in mobile scenarios. Until the third generation of mobile networks, the need to ensure reliable handovers was still an important issue. On the eve of a new generation of access networks (4G) and increased connectivity between networks of different characteristics commonly called hybrid (satellite, ad-hoc, sensors, wired, WIMAX, LAN, etc.), it is necessary to transfer mechanisms of mobility to future generations of networks. In order to achieve this, it is essential to carry out a comprehensive evaluation of the performance of current protocols and the diverse topologies to suit the new mobility conditions

Resilient Peer-to-Peer Ranging using Narrowband High-Performance Software-Defined Radios for Mission-Critical Applications

There has been a growing need for resilient positioning for numerous applications of the military and emergency services that routinely conduct operations that require an uninterrupted positioning service. However, the level of resilience required for these applications is difficult to achieve using the popular navigation and positioning systems available at the time of this writing. Most of these systems are dependent on existing infrastructure to function or have certain vulnerabilities that can be too easily exploited by hostile forces. Mobile ad-hoc networks can bypass some of these prevalent issues making them an auspicious topic for positioning and navigation research and development. Such networks consist of portable devices that collaborate to form wireless communication links with one another and collectively carry out vital network functions independent of any fixed centralized infrastructure. The purpose of the research presented in this thesis is to adapt the protocols of an existing narrowband mobile ad-hoc communications system provided by Terrafix to enable range measuring for positioning. This is done by extracting transmission and reception timestamps of signals exchanged between neighbouring radios in the network with the highest precision possible. However, many aspects of the radios forming this network are generally not conducive to precise ranging, so the ranging protocols implemented need to either maneuver around these shortcomings or compensate for loss of precision caused. In particular, the narrow bandwidth of the signals that drastically reduces the resolution of symbol timing. The objective is to determine what level of accuracy and precision is possible using this radio network and whether one can justify investment for further development. Early experiments have provided a simple ranging demonstration in a benign environment, using the existing synchronization protocols, by extracting time data. The experiments have then advanced to the radio’s signal processing to adjust the synchronization protocols for maximize symbol timing precision and correct for clock drift. By implementing innovative synchronization techniques to the radio network, ranging data collected under benign conditions can exhibit a standard deviation of less than 3m. The lowest standard deviation achieved using only the existing methods of synchronization was over two orders of magnitude greater. All this is achieved in spite of the very narrow 10−20kHz bandwidth of the radio signals, which makes producing range estimates with an error less than 10−100m much more challenging compared to wider bandwidth systems. However, this figure is beholden to the relative motion of neighbouring radios in the network and how frequently range estimates need to be made. This thesis demonstrates how such a precision may be obtained and how this figure is likely to hold up when applied in conditions that are not ideal

Situational awareness for critical infrastructure protection

Postgraduate seminar series with a title Situational Awareness for Critical Infrastructure Protection held at the Department of Military Technology of the National Defence University in 2015. This book is a collection of some of talks that were presented in the seminar. The papers address designing inter-organizational situation awareness system, principles of designing for situation awareness, situation awareness in distributed teams, vulnerability analysis in a critical system context, tactical Command, Control, Communications, Computers, & Intelligence (C4I) systems, and improving situational awareness in the circle of trust. This set of papers tries to give some insight to current issues of the situation awareness for critical infrastructure protection. The seminar has always made a publication of the papers but this has been an internal publication of the Finnish Defence Forces and has not hindered publication of the papers in international conferences. Publication of these papers in peer reviewed conferences has indeed been always the goal of the seminar, since it teaches writing conference level papers. We still hope that an internal publication in the department series is useful to the Finnish Defence Forces by offering an easy access to these papers