Internode Distance-Based Redundancy Reliable Transport in Underwater Sensor Networks

Underwater communication is a very challenging topic. Protocols used in terrestrial sensor networks cannot be directly applied in the underwater world. High-bit error rate and large propagation delay make the design of transport protocols especially awkward. ARQ-based reliable transport schemes are not appropriate in underwater environments due to large propagation delay, low communication bandwidth, and high error probability. Thus, we focus on redundancy-based transport schemes in this paper. We first investigate three schemes that employ redundancy mechanisms at the bit and/or packet level to increase the reliability in a direct link scenario. Then, we show that the broadcast property of the underwater channel allows us to extend those schemes to a case with node cooperative communication. Based on our analysis, an adaptive redundancy transport protocol (ARRTP) for underwater sensor networks is proposed. We suggest an architecture for implementation. For two kinds of topologies, namely, regular and random, we show that ARRTP presents a better transmission success probability and energy efficiency tradeoff for single- and multihop transmissions. We also offer an integrated case study to show that ARRTP is not only supplying reliability but also has some positive effect in guiding the deployment of underwater sensor nodes

RLT Code Based Handshake-Free Reliable MAC Protocol for Underwater Sensor Networks

The characteristics of underwater acoustic channels such as long propagation delay and low bit rate cause the medium access control (MAC) protocols designed for radio channels to either be inapplicable or have low efficiency for underwater sensor networks (UWSNs). Meanwhile, due to high bit error, conventional end-to-end reliable transfer solutions bring about too many retransmissions and are inefficient in UWSN. In this paper, we present a recursive LT (RLT) code. With small degree distribution and recursive encoding, RLT achieves reliable transmission hop-by-hop while reducing the complexity of encoding and decoding in UWSN. We further propose an RLT code based handshake-free (RCHF) reliable MAC protocol. In RCHF protocol, each node maintains a neighbor table including the field of state, and packages are forwarded according to the state of a receiver, which can avoid collisions of sending-receiving and overhearing. The transmission-avoidance time in RCHF decreases data-ACK collision dramatically. Without RTS/CTS handshaking, the RCHF protocol improves channel utilization while achieving reliable transmission. Simulation results show that, compared with the existing reliable data transport approaches for underwater networks, RCHF can improve network throughput while decreasing end-to-end overhead

A Hybrid Adaptive Protocol for Reliable Data Delivery in WSNs with Multiple Mobile Sinks

In this paper we deal with reliable and energy-efficient data delivery in sparse Wireless Sensor Networks with multiple Mobile Sinks (MSs). This is a critical task, especially when MSs move randomly, as interactions with sensor nodes are unpredictable, typically of short duration, and affected by message losses. In this paper we propose an adaptive data delivery protocol that combines efficiently erasure coding with an ARQ scheme. The key features of the proposed protocol are: (i) the use of redundancy to cope efficiently with message losses, and (ii) the ability of adapting the level of redundancy based on feedbacks sent back by MSs through ACKs. We observed by simulation that our protocol outperforms an alternative protocol that relies only on an ARQ scheme, even when there is a single MS. We also validated our simulation results through a set of experimental measurements based on real sensor nodes. Our results show that the adoption of encoding techniques is beneficial to energy-efficient (and reliable) data delivery in WSNs with Mobile Sinks

A NEW ENERGY EFFICIENT ADAPTIVE HYBRID ERROR CORRECTION TECHNIQUE FOR UNDERWATER WIRELESS SENSORS NETWORKS

Underwater wireless sensors networks find many applications in today's life. However underwater sensors are still relatively expensive. They suffer from short lifetime which is limited by batteries lifetime as it is difficult to recharge or even replace batteries in harsh aquatic medium. When the battery is depleted the sensor is of no use anymore. So designing energy efficient communication protocols is an important issue for underwater sensors networks. Underwater is characterized by variable channel conditions, whereas underwater sensors are mobile due to water currents leading to variable distances between sensors. This variability in channel conditions and distances between sensors leads to inefficiency in energy consumptions when using fixed type of error correction technique. In this thesis, a mathematical energy efficiency derivations for the two main error correction techniques (Automatic Repeat request (ARQ) and Forward Error Correction (FEC)) in underwater environment has been done. The results from those derivations show that one technique is more energy efficient than the other below specific distance, where as the other is more energy efficient after this distance. This specific distance is found to be unfixed and varies with the variation in channel conditions and packet size. So using fixed error correction technique for specific distance is not accurate. Simulation has been done which validate the mathematical derivations. Based on the above derivation results Adaptive Hybrid Error Correction (AHEC) technique which adaptively changes the error correction technique to the technique that gives the highest energy efficiency for the current channel conditions and distances has been proposed. The technique uses an adaptation algorithm which depends on a pre-calculated packet acceptance rate (PAR) ranges look-up table, current PAR, packet length and current error correction technique used. AHEC viii technique has been found to have better energy saving compared with the techniques that depend on pure ARQ or FEC only. This saving ranges from 10 to 70 % in energy saving in ARQ case , and 7 to 10 % in energy saving in FEC case depending on current channel conditions and distance .It has also been compared with the technique that uses variable power supply in adaptation (Adaptive Variable Power Supply (AVPS)) and it achieves between 20 to 60 % in energy saving depending on current channel conditions and distance. It has also been compared with Adaptive Redundancy Reliable Transport Protocol (ARRTP), and it achieves between 10 to 80 % in energy saving depending on the current channel conditions and distance. The adaptation algorithm which depends on PAR has also been applied in adaptation to the ARRTP which originally depends only on inter-node distance in adaptation. PAR take both of distance and channel conditions into consideration. This technique is called PAR-based ARRTP, and the results shows better adaptation than the basic ARRTP in variable channel conditions cases. AHEC technique has also been applied with the bounded distance routing protocol to minimize the effects of variable channel conditions. Bounded distance routing protocol design depends on choosing specific number of relays between sender and receiver that minimize the total energy consumptions. This specific number of relays varies with the variation in channel conditions. The results show a deviation in number of relays from 6 when fixed error correction technique is used to only 2 when AHEC technique is used with it

Underwater Sensor Networks: Applications, Advances, and Challenges

This paper examines the main approaches and challenges in the design and implementation of underwater wireless sensor networks. We summarize key applications and the main phenomena related to acoustic propagation, and discuss how they affect the design and operation of communication systems and networking protocols at various layers. We also provide an overview of communications hardware, testbeds, and simulation tools available to the research community

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

Correlation-based Cross-layer Communication in Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks (WSN) are event based systems that rely on the collective effort of densely deployed sensor nodes continuously observing a physical phenomenon. The spatio-temporal correlation between the sensor observations and the cross-layer design advantages are significant and unique to the design of WSN. Due to the high density in the network topology, sensor observations are highly correlated in the space domain. Furthermore, the nature of the energy-radiating physical phenomenon constitutes the temporal correlation between each consecutive observation of a sensor node. This unique characteristic of WSN can be exploited through a cross-layer design of communication functionalities to improve energy efficiency of the network. In this thesis, several key elements are investigated to capture and exploit the correlation in the WSN for the realization of advanced efficient communication protocols. A theoretical framework is developed to capture the spatial and temporal correlations in WSN and to enable the development of efficient communication protocols. Based on this framework, spatial Correlation-based Collaborative Medium Access Control (CC-MAC) protocol is described, which exploits the spatial correlation in the WSN in order to achieve efficient medium access. Furthermore, the cross-layer module (XLM), which melts common protocol layer functionalities into a cross-layer module for resource-constrained sensor nodes, is developed. The cross-layer analysis of error control in WSN is then presented to enable a comprehensive comparison of error control schemes for WSN. Finally, the cross-layer packet size optimization framework is described.Ph.D.Committee Chair: Ian F. Akyildiz; Committee Member: Douglas M. Blough; Committee Member: Mostafa Ammar; Committee Member: Raghupathy Sivakumar; Committee Member: Ye (Geoffrey) L

Energy Efficiency in Communications and Networks

The topic of "Energy Efficiency in Communications and Networks" attracts growing attention due to economical and environmental reasons. The amount of power consumed by information and communication technologies (ICT) is rapidly increasing, as well as the energy bill of service providers. According to a number of studies, ICT alone is responsible for a percentage which varies from 2% to 10% of the world power consumption. Thus, driving rising cost and sustainability concerns about the energy footprint of the IT infrastructure. Energy-efficiency is an aspect that until recently was only considered for battery driven devices. Today we see energy-efficiency becoming a pervasive issue that will need to be considered in all technology areas from device technology to systems management. This book is seeking to provide a compilation of novel research contributions on hardware design, architectures, protocols and algorithms that will improve the energy efficiency of communication devices and networks and lead to a more energy proportional technology infrastructure