Route planning for electric buses: a case study in Oporto

This paper intends to analyze the performance of an electric bus for three different routes in the city of Oporto. The objective is to study the correlation between the type of route a bus travels and the amount of energy it spends in performing it. Besides energy, the potential of the recovering part of it through regenerative braking will also be discussed. It is expected that long and demanding routes, e.g. those encompassing meandering paths, will make the bus use more energy. To accomplish these objectives, a simulation platform was built upon both a nanoscopic representation of the electrical bus and its microscopic interaction with the road traffic network while performing different journeys through specific routes. Simulation results are compared and discussed, as well as are directions for future work identified.This work is financed by FEDER Funds, through the Operational Programme for Competitiveness Factors COMPETE, and by Portuguese Funds through FCT (Fundacao para a Ciencia e Tecnologia), under Project 13844. FCT is also acknowledged by its financial support through PhD scholarship grants SFRH/BD/167202/2009 and SFRH/BD/51256/2010, the latter within the MIT-Portugal Program in Engineering Design and Advanced Manufacturing Leaders for Technical Industries focus area

Delay tolerant networking technology: the latest trends and prospects

インターネットは世界を結ぶ情報社会の基盤となっている．しかし，その基礎となるTCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）技術の設計の中では，極端に長い通信遅延時間，頻繁なパケット損，間欠的な通信リンクの出現，などが発生する通信環境は想定されておらず，情報通信を必要とする環境の著しい多様化に対応するためには拡張が必要である．惑星間インターネットを起源に持つ，遅延耐性ネットワーク（DTN：Delay, Disruption, Disconnection Tolerant Networking）と呼ばれる技術領域は，従来のTCP/IP 技術では対応できなかった状況においてもエンドツーエンドの情報伝達を実現する枠組みとして誕生した．本論文では，従来技術をある程度知っている読者を想定し，近年研究が活発化しているDTN 技術に関して概説を与える．DTN 技術を時間的・空間的不連続性の下で非実時間通信を効率的に行うための中継技術として捉え，その基本技術である蓄積形及び蓄積運搬形転送に焦点を当て，標準的なアーキテクチャや，中継経路の制御手法及び中継データの符号化手法についての技術動向を概観する．蓄積（運搬）形転送は，従来のTCP/IP 技術の制約を超える新世代ネットワーク技術として進展が期待でき

An Integrated Framework for Multi-paradigm Traffic Simulation

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Scaling Up Delay Tolerant Networking

Delay Tolerant Networks (DTN) introduce a networking paradigm based on store, carry and forward. This makes DTN ideal for situations where nodes experience intermittent connectivity due to movement, less than ideal infrastructure, sparse networks or other challenging environmental conditions. Standardization efforts focused around the Bundle Protoocol (BP) (RFC 5050) aim to provide a generic set of protocols and technologies to build DTNs. However, there are several challenges when trying to apply the BP to the Internet as a whole that are tackled in this thesis: There is no DTN routing mechanism that can work in Internet-scale networks. Similarly, available discovery mechanisms for opportunistic contacts do not scale to the Internet. This work presents a solution offering pull-based name resolution that is able to represent the flat unstructured BP namespace in a distributed data structure and leaves routing through the Internet to the underlying IP layer. A second challenge is the large amount of data stored by DTN nodes in large-scale applications. Reconciling two large sets of data during an opportunistic contact without any previous state in a space efficient manner is a non-trivial problem. This thesis will present a very robust solution that is almost as efficient as Bloom filters while being able to avoid false positives that would prevent full reconciliation of the sets. Lastly, when designing networks that are based on agents willing to carry information, incentives are an important factor. This thesis proposes a financially sustainable system to incentive users to participate in a DTN with their private smartphones. A user study is conducted to get a lead on the main motivational factors that let people participate in a DTN. The study gives some insight under what conditions relying on continuous motivation and cooperation from private users is a reasonable assumption when designing a DTN.Delay Tolerant Networks (DTN) sind ein Konzept für Netzwerke, das auf der Idee beruht, Datenpakete bei Bedarf längere Zeit zu speichern und vor der Weiterleitung an einen anderen Knoten physikalisch zu transportieren. Diese Vorgehensweise erlaubt den Einsatz von DTN in Netzen, die häufige Unterbrechungen aufweisen. Mit dem Bundle Protocol (BP) (RFC 5050) wird ein Satz von Standardprotokollen für DTNs entwickelt. Wenn man das BP im Internet einsetzen möchte ergeben sich einige Herausforderungen: Es existiert kein DTN Routingverfahren, das skalierbar genug ist um im Internet eingesetzt zu werden. Das Gleiche trifft auf verfügbare Discovery Mechanismen für opportunistische Netze zu. In dieser Arbeit wird ein verteilter, reaktiver Mechanismus zur Namensauflösung im DTN vorgestellt, der den flachen, unstrukturierten Namensraum des BP abbilden kann und es ermöglicht das Routing komplett der IP Schicht zu überlassen. Eine weitere Herausforderung ist die große Menge an Nachrichten, die Knoten puffern müssen. Die effiziente Synchronisierung von zwei Datensets während eines opportunistischen Kontaktes, ohne Zustandsinformationen, ist ein komplexes Problem. Diese Arbeit schlägt einen robusten Algorithmus vor, der die Effizienz eines Bloom Filters hat, dabei jedoch die False Positives vermeidet, die normalerweise eine komplette Synchronisation verhindern würden. Ein DTN basiert darauf, dass Teilnehmer Daten puffern und transportieren. Wenn diese Teilnehmer z.B. private User mit Smarpthones sind, ist es essentiell diese Benutzer zu einer dauerhaften Teilnahme am Netzwerk zu motivieren. In dieser Arbeit wird ein finanziell tragfähiges System entwickelt, welches Benutzer für eine Teilnahme am DTN belohnt. Eine Benutzerstudie wurde durchgeführt, um herauszufinden, welche Faktoren Benutzer motivieren und unter welchen Umständen davon auszugehen ist, dass Benutzer wenn man das BP im Internet einsetzen möchte dauerhaft in einem DTN kooperieren und Resourcen zur Verfügung stellen

Unterbrechungstolerante Fahrzeugkommunikation im öffentlichen Personennahverkehr

Communication systems play an important role in the efficient operation of public transport networks. Recently, traditional voice-centric real-time communication is complemented and often replaced by data-centric asynchronous machine-to-machine communication. Disruption tolerant networking in combination with license-exempt high bandwidth technologies have the potential to reduce infrastructure investments and operating costs for such applications, because a continuous end-to-end connectivity is no longer required. In this thesis the feasibility of such a system is investigated and confirmed. First, realistic use-cases are introduced and the requirements to the communication system are analyzed. Then the channel characteristics of several WLAN-based technologies are experimentally evaluated in real public transport scenarios. Since the results are promising, the next step is gaining a deeper understanding of the special mobility properties in public transport networks. Therefore, we analyze existing traces as well as our own newly acquired trace. Our trace features additional operator meta-data that is not available for existing traces, and we report on unexpected properties that have not been quantified before. Then the trace is combined with the experimentally obtained channel parameters in order to analyze the characteristics of inter-vehicle contacts. We present the statistical distribution of situation-specific contact events and the impact of radio range on contact capacity. Then results of all steps above are used to propose a routing scheme that is optimized for public transport networks. In the final simulation-based evaluation we show that this router outperforms previously proposed algorithms.Kommunikationssysteme leisten einen wichtigen Beitrag zum effizienten Betrieb des öffentlichen Personennahverkehrs. Seit einigen Jahren wird dabei der Sprechfunk zunehmend durch asynchronen M2M-Datenfunk ergänzt und in vielen Anwendungsgebieten sogar vollständig ersetzt. Die Kombination aus unterbrechungstoleranten Netzwerken und lizenzfreien Drahtlostechnologien birgt ein erhebliches Potential zur Reduzierung von Infrastrukturinvestitionen und Betriebskosten, da für diese Anwendungen eine dauerhafte Ende-zu-Ende Verbindung nicht mehr erforderlich ist. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit eines solchen Systems untersucht und belegt. Zunächst werden dazu Anwendungsfälle vorgestellt und deren Anforderungen an das Kommunikationssystem analysiert. Dann werden die Kanalcharakteristika mehrerer WLAN-Technologien im realen ÖPNV-Umfeld experimentell ermittelt und bewertet. Auf Grundlage der erfolgversprechenden Ergebnisse werden im nächsten Schritt die besonderen Mobilitätseigenschaften von ÖPNV-Netzen untersucht. Zu diesen Zweck analysieren wir existierende und eigene, neu aufgezeichnete Bewegungsdaten von ÖPNV-Fahrzeugen. Unsere Daten enthalten dabei zusätzliche Metadaten der Verkehrsbetriebe, die zuvor nicht verfügbar waren, so dass wir unerwartete Effekte beschreiben und erstmals quantifizieren können. Anschließend werden die Bewegungsdaten mit den zuvor experimentell erfassten Kanaleigenschaften kombiniert, um so die Kommunikationskontakte zwischen den Fahrzeugen genauer zu betrachten. Wir stellen die statistische Verteilung der situationsabhängigen Kontaktereignisse vor, sowie den Einfluss der Funkreichweite auf die Kontaktkapazität. Dann werden die Ergebnisse aller vorhergehenden Schritte verwendet, um ein neues, optimiertes Routingverfahren für ÖPNV-Netze vorzuschlagen. In der simulationsbasierten Evaluation belegen wir, dass dieser Router die Leistung bisher bekannter Verfahren übertrifft

Erkennung und Vermeidung von Fehlverhalten in fahrzeugbasierten DTNs

Delay- and Disruption-Tolerant Networks (DTNs) are a suitable technology for many applications when the network suffers from intermittent connections and significant delays. In current vehicular networks, due to the high mobility of vehicles, the connectivity in vehicular networks can be highly unstable, links may change or break soon after they have been established and the network topology varies significantly depending on time and location. When the density of networked vehicles is low, connectivity is intermittent and with only a few transmission opportunities. This makes forwarding packets very difficult. For the next years, until a high penetration of networked vehicles is realized, delay-tolerant methods are a necessity in vehicular networks, leading to Vehicular DTNs (VDTNs). By implementing a store-carry-forward paradigm, VDTNs can make sure that even under difficult conditions, the network can be used by applications. However, we cannot assume that all vehicles are altruistic in VDTNs. Attackers can penetrate the communication systems of vehicles trying their best to destroy the network. Especially if multiple attackers collude to disrupt the network, the characteristics of VDTNs, without continuous connectivity, make most traditional strategies of detecting attackers infeasible. Additionally, selfish nodes may be reluctant to cooperate considering their profit, and due to hard- or software errors some vehicles cannot send or forward data. Hence, efficient mechanisms to detect malicious nodes in VDTNs are imperative. In this thesis, two classes of Misbehavior Detection Systems (MDSs) are proposed to defend VDTNs against malicious nodes. Both MDSs use encounter records (ERs) as proof to document nodes' behavior during previous contacts. By collecting and securely exchanging ERs, depending on different strategies in different classes of MDSs, a reputation system is built in order to punish bad behavior while encouraging cooperative behavior in the network. With independently operating nodes and asynchronous exchange of observations through ERs, both systems are very well suited for VDTNs, where there will be no continuous, ubiquitous network in the foreseeable future. By evaluating our methods through extensive simulations using different DTN routing protocols and different realistic scenarios, we find that both MDS classes are able to efficiently protect the system with low overhead and prevent malicious nodes from further disrupting the network.In Netzwerken mit zeitweisen Unterbrechungen oder langen Verzögerungen sind Delay- and Disruption-Tolerant Networks (DTNs) eine geeignete Technologie für viele Anwendungen. Die Konnektivität in Fahrzeugnetzen ist bedingt durch die hohe Mobilität und die geringe Verbreitung von netzwerkfähigen Fahrzeugen oft instabil. Bis zur flächendeckenden Verbreitung von netzwerkfähigen Fahrzeugen ist es daher zwingend notwendig auf Methoden des Delay Tolerant Networking zurückzugreifen um die bestmögliche Kommunikation zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird von Vehicular Delay Tolerant Networks (VDTNs) gesprochen. Durch das Store-Carry-Forward-Prinzip kann ein VDTN Kommunikation für Anwendungen ermöglichen. Allerdings ist davon auszugehen, dass sich nicht alle Fahrzeuge altruistisch verhalten: Angreifer können Fahrzeuge übernehmen und das Netzwerk attackieren oder Knoten sind aus egoistischen Motiven oder auf Grund von Defekten unkooperativ. Verfahren, die Fehlverhalten in stabilen Netzen durch direkte Beobachtung erkennen können, sind in VDTNs nicht anwendbar. Daher sind Methoden, die Fehlverhalten in VDTNs nachweisen können, zwingend erforderlich. In dieser Arbeit werden zwei Klassen von Misbehavior Detection Systems (MDSs) vorgestellt. Beide Systeme basieren auf Encounter Records (ERs): Nach einem Kontakt tauschen zwei Knoten kryptografisch signierte Meta-Informationen zu den erfolgten Datentransfers aus. Diese ERs dienen bei darauffolgenden Kontakten mit anderen Netzwerkteilnehmern als vertrauenswürdiger Nachweis für das Verhalten eines Knotens in der Vergangenheit. Basierend auf der Auswertung gesammelter ERs wird ein Reputationssystem entwickelt, das kooperatives Verhalten belohnt und unkooperatives Verhalten bestraft. Dauerhaft unkooperative Knoten werden aus dem Netzwerk ausgeschlossen. Durch den asynchronen Austausch von Informationen kann jeder Knoten das Verhalten seiner Nachbarn selbstständig und unabhängig evaluieren. Dadurch sind die vorgestellten MDS-Varianten sehr gut für den Einsatz in einem VDTN geeignet. Durch umfangreiche Evaluationen wird gezeigt, dass sich die entwickelten MDS-Verfahren für verschiedene Routingprotokolle und in unterschiedlichen Szenarien anwenden lassen. In allen Fällen ist das MDS in der Lage das System mit geringem Overhead gegen Angreifer zu verteidigen und eine hohe Servicequalität im Netzwerk zu gewährleisten

Roteamento em redes tolerantes a atrasos e interrupções: uma abordagem baseada em redes neurais

Tese (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015.As Redes Tolerantes a Atrasos e Interrupções (DTN) foram concebidas para operar considerando interrupções e grandes atrasos na comunicação. O roteamento se torna uma tarefa mais desafiadora em contextos com alta frequência de mudança da topologia e poucas informações a respeito da topologia futura. Em uma rede formada somente por ônibus do sistema de transporte público, os contatos entre os ônibus acontecem de forma quase-oportunista devido à regularidade não estritamente seguida nos itinerários. Uma forma de melhorar o roteamento nas DTNs é explorar informações históricas e do cenário para aumentar a taxa de entrega de mensagens e diminuir o atraso na entrega e o consumo de recursos. Com poucas informações a serem exploradas no cenário, o roteamento fica mais difícil de ser tratado. Neste contexto, esta tese propõe uma nova abordagem de roteamento baseado em Redes Neurais Artificiais (RNA) que apresenta vantagens em relação as outras estratégias aplicáveis nas mesmas condições, tal como a estratégia do caminho de probabilidade máxima (MaxProp). Um mecanismo de predição de contatos baseado em RNA foi desenvolvido para permitir a obtenção de contatos futuros que então são utilizados em um mecanismo de construção de jornadas, permitindo estimar a melhor jornada até o destino. Um procedimento para projetar as RNAs é apresentado. Um simulador de troca de mensagens foi desenvolvido para testar as estratégias avaliadas. Os resultados obtidos demonstram que a abordagem desenvolvida atinge um maior número de mensagens entregues, menor atraso e menor custo de uso da rede. Esses resultados foram obtidos nas versões com ou sem replicação de mensagens utilizando dados reais ou sintéticos. Uma modelagem para a implementação da estratégia de roteamento proposta projetada para funcionar na arquitetura da Internet Research Task Force (IRTF) é apresentada.Abstract : Delay/disruption Tolerant Networks (DTN) are designed to operate considering interruptions and high delays in communication. The routing becomes a more challenging task in a context of a high frequency of topology changes in which little information are available. In a network formed just by buses of a bus transportation system, the contacts are quasi-opportunistic due the regularity in the itineraries not strictly followed by the bus. A manner to improve the routing in DTN is to exploit historical information to increase the delivery rate and decrease the delivery delay and resources consumption. In this context, this thesis describes a new routing approach based on Artificial Neural Networks (ANN) presenting advantages over other applicable strategies in the same conditions, such as the maximum probability path (Max- Prop). A contact predictor based on ANN was developed to achieve future contacts. The predicted contacts are used in a journey predictor, aiming to obtain the best journey to the destination. A procedure for designing of ANNs is presented. A message forwarding simulator was developed to test the evaluated strategies. The obtained results demonstrate that the developed approach increases the number of delivered messages, decreases the delivery delay and decreases the delivery cost. These results are verified both in the version with message replication, as without message replication, using synthetic or real data. A modeling for the implementation of the proposed routing strategy designed to work in the Internet Research Task Force (IRTF) architecture is presented