Message forwarding techniques in Bluetooth enabled opportunistic communication environment

These days, most of the mobile phones are smart enough with computer like intelligence and equipped with multiple communication technologies such as Bluetooth, wireless LAN, GPRS and GSM. Different communication medium on single device have unlocked the new horizon of communication means. Modern mobile phones are not only capable of using traditional way of communication via GSM or GPRS; but, also use wireless LANs using access points where available. Among these communication means, Bluetooth technology is very intriguing and unique in nature. Any two devices equipped with Bluetooth technology can communicate directly due to their unique IDs in the world. This is opposite to GSM or Wireless LAN technology; where devices are dependent on infrastructure of service providers and have to pay for their services. Due to continual advancement in the field of mobile technology, mobile ad-hoc network seems to be more realised than ever using Bluetooth. In traditional mobile ad-hoc networks (MANETs), before information sharing, devices have partial or full knowledge of routes to the destinations using ad-hoc routing protocols. This kind of communication can only be realised if nodes follow the certain pattern. However, in reality mobile ad-hoc networks are highly unpredictable, any node can join or leave network at any time, thus making them risky for effective communication. This issue is addressed by introducing new breed of ad-hoc networking, known as opportunistic networks. Opportunistic networking is a concept that is evolved from mobile ad-hoc networking. In opportunistic networks nodes have no prior knowledge of routes to intended destinations. Any node in the network can be used as potential forwarder with the exception of taking information one step closer to intended destination. The forwarding decision is based on the information gathered from the source node or encountering node. The opportunistic forwarding can only be achieved if message forwarding is carried out in store and forward fashion. Although, opportunistic networks are more flexible than traditional MANETs, however, due to little insight of network, it poses distinct challenges such as intermittent connectivity, variable delays, short connection duration and dynamic topology. Addressing these challenges in opportunistic network is the basis for developing new and efficient protocols for information sharing. The aim of this research is to design different routing/forwarding techniques for opportunistic networks to improve the overall message delivery at destinations while keeping the communication cost very low. Some assumptions are considered to improved directivity of message flow towards intended destinations. These assumptions exploit human social relationships analogies, approximate awareness of the location of nodes in the network and use of hybrid communication by combining several routing concept to gain maximum message directivity. Enhancement in message forwarding in opportunistic networks can be achieved by targeting key nodes that show high degree of influence, popularity or knowledge inside the network. Based on this observation, this thesis presents an improved version of Lobby Influence (LI) algorithm called as Enhanced Lobby Influence (ELI). In LI, the forwarding decision is based on two important factors, popularity of node and popularity of node’s neighbour. The forwarding decision of Enhanced Lobby Influence not only depends on the intermediate node selection criteria as defined in Lobby Influence but also based on the knowledge of previously direct message delivery of intended destination. An improvement can be observed if nodes are aware of approximate position of intended destinations by some communication means such as GPS, GSM or WLAN access points. With the knowledge of nodes position in the network, high message directivity can be achieved by using simple concepts of direction vectors. Based on this observation, this research presents another new algorithm named as Location-aware opportunistic content forwarding (LOC). Last but not least, this research presents an orthodox yet unexplored approach for efficient message forwarding in Bluetooth communication environment, named as Hybrid Content Forwarding (HCF). The new approach combines the characteristics of social centrality based forwarding techniques used in opportunistic networks with traditional MANETs protocols used in Bluetooth scatternets. Simulation results show that a significant increase in delivery radio and cost reduction during content forwarding is observed by deploying these proposed algorithms. Also, comparison with existing technique shows the efficiency of using the new schemes

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

A content dissemination framework for vehicular networking

Vehicular Networks are a peculiar class of wireless mobile networks in which vehicles are equipped with radio interfaces and are, therefore, able to communicate with fixed infrastructure (if available) or other vehicles. Content dissemination has a potential number of applications in vehicular networking, including advertising, traffic warnings, parking notifications and emergency announcements. This thesis addresses two possible dissemination strategies: i) Push-based that is aiming to proactively deliver information to a group of vehicles based on their interests and the level of matching content, and ii) Pull-based that is allowing vehicles to explicitly request custom information. Our dissemination framework is taking into consideration very specific information only available in vehicular networks: the geographical data produced by the navigation system. With its aid, a vehicle's mobility patterns become predictable. This information is exploited to efficiently deliver the content where it is needed. Furthermore, we use the navigation system to automatically filter information which might be relevant to the vehicles. Our framework has been designed and implemented in .NET C# and Microsoft MapPoint. It was tested using a small number of vehicles in the area of Cambridge, UK. Moreover, to prove the correctness of our protocols, we further evaluated it in a large-scale network simulation over a number of realistic vehicular trace-based scenarios. Finally, we built a test-case application aiming to prove that vehicles can gain from such a framework. In this application every vehicle collects and disseminates road traffic information. Vehicles that receive this information can individually evaluate the traffic conditions and take an alternative route, if needed. To evaluate this approach, we collaborated with UCLA's Network Research Lab (NRL), to build a simulator that combines network and dynamic mobility emulation simultaneously. When our dissemination framework is used, the drivers can considerably reduce their trip-times

Resource Management in Delay Tolerant Networks and Smart Grid

In recent years, significant advances have been achieved in communication networks and electric power systems. Communication networks are developed to provide services within not only well-connected network environments such as wireless local area networks, but also challenged network environments where continuous end-to-end connections can hardly be established between information sources and destinations. Delay tolerant network (DTN) is proposed to achieve this objective by utilizing a store-carry-and-forward routing scheme. However, as the network connections in DTNs are intermittent in nature, the management of network resources such as communication bandwidth and buffer storage becomes a challenging issue. On the other hand, the smart grid is to explore information and communication technologies in electric power grids to achieve electricity delivery in a more efficient and reliable way. A high penetration level of electric vehicles and renewable power generation is expected in the future smart grid. However, the randomness of electric vehicle mobility and the intermittency of renewable power generation bring new challenges to the resources management in the smart grid, such as electric power, energy storage, and communication bandwidth management. This thesis consists of two parts. In part I, we focus on the resource management in DTNs. Specifically, we investigate data dissemination and on-demand data delivery which are two of the major data services in DTNs. Two kinds of mobile nodes are considered for the two types of services which correspond to the pedestrians and high-speed train passengers, respectively. For pedestrian nodes, the roadside wireless local area networks are used as an auxiliary communication infrastructure for data service delivery. We consider a cooperative data dissemination approach with a packet pre-downloading mechanism and propose a double-loop receiver-initiated medium access control scheme to resolve the channel contention among multiple direct/relay links and exploit the predictable traffic characteristics as a result of packet pre-downloading. For high-speed train nodes, we investigate on-demand data service delivery via a cellular/infostation integrated network. The optimal resource allocation problem is formulated by taking account of the intermittent network connectivity and multi-service demands. In order to achieve efficient resource allocation with low computational complexity, the original problem is transformed into a single-machine preemptive scheduling problem and an online resource allocation algorithm is proposed. If the link from the backbone network to an infostation is a bottleneck, a service pre-downloading algorithm is also proposed to facilitate the resource allocation. In part II, we focus on resource management in the smart grid. We first investigate the optimal energy delivery for plug-in hybrid electric vehicles via vehicle-to-grid systems. A dynamic programming formulation is established by considering the bidirectional energy flow, non-stationary energy demand, battery characteristics, and time-of-use electricity price. We prove the optimality of a state-dependent double-threshold policy based on the stochastic inventory theory. A modified backward iteration algorithm is devised for practical applications, where an exponentially weighted moving average algorithm is used to estimate the statistics of vehicle mobility and energy demand. Then, we propose a decentralized economic dispatch approach for microgrids such that the optimal decision on power generation is made by each distributed generation unit locally via multiagent coordination. To avoid a slow convergence speed of multiagent coordination, we propose a heterogeneous wireless network architecture for microgrids. Two multiagent coordination schemes are proposed for the single-stage and hierarchical operation modes, respectively. The optimal number of activated cellular communication devices is obtained based on the tradeoff between communication and generation costs

Optimal Content Downloading in Vehicular Networks

We consider a system where users aboard communication-enabled vehicles are interested in downloading different contents from Internet-based servers. This scenario captures many of the infotainment services that vehicular communication is envisioned to enable, including news reporting, navigation maps and software updating, or multimedia file downloading. In this paper, we outline the performance limits of such a vehicular content downloading system by modelling the downloading process as an optimization problem, and maximizing the overall system throughput. Our approach allows us to investigate the impact of different factors, such as the roadside infrastructure deployment, the vehicle-to-vehicle relaying, and the penetration rate of the communication technology, even in presence of large instances of the problem. Results highlight the existence of two operational regimes at different penetration rates and the importance of an efficient, yet 2-hop constrained, vehicle-to-vehicle relaying

Mobile Ad-Hoc Networks

Being infrastructure-less and without central administration control, wireless ad-hoc networking is playing a more and more important role in extending the coverage of traditional wireless infrastructure (cellular networks, wireless LAN, etc). This book includes state-of-the-art techniques and solutions for wireless ad-hoc networks. It focuses on the following topics in ad-hoc networks: quality-of-service and video communication, routing protocol and cross-layer design. A few interesting problems about security and delay-tolerant networks are also discussed. This book is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks

Collaborative Data Access and Sharing in Mobile Distributed Systems

The multifaceted utilization of mobile computing devices, including smart phones, PDAs, tablet computers with increasing functionalities and the advances in wireless technologies, has fueled the utilization of collaborative computing (peer-to-peer) technique in mobile environment. Mobile collaborative computing, known as mobile peer-to-peer (MP2P), can provide an economic way of data access among users of diversified applications in our daily life (exchanging traffic condition in a busy high way, sharing price-sensitive financial information, getting the most-recent news), in national security (exchanging information and collaborating to uproot a terror network, communicating in a hostile battle field) and in natural catastrophe (seamless rescue operation in a collapsed and disaster torn area). Nonetheless, data/content dissemination among the mobile devices is the fundamental building block for all the applications in this paradigm. The objective of this research is to propose a data dissemination scheme for mobile distributed systems using an MP2P technique, which maximizes the number of required objects distributed among users and minimizes to object acquisition time. In specific, we introduce a new paradigm of information dissemination in MP2P networks. To accommodate mobility and bandwidth constraints, objects are segmented into smaller pieces for efficient information exchange. Since it is difficult for a node to know the content of every other node in the network, we propose a novel Spatial-Popularity based Information Diffusion (SPID) scheme that determines urgency of contents based on the spatial demand of mobile users and disseminates content accordingly. The segmentation policy and the dissemination scheme can reduce content acquisition time for each node. Further, to facilitate efficient scheduling of information transmission from every node in the wireless mobile networks, we modify and apply the distributed maximal independent set (MIS) algorithm. We also consider neighbor overlap for closely located mobile stations to reduce duplicate transmission to common neighbors. Different parameters in the system such as node density, scheduling among neighboring nodes, mobility pattern, and node speed have a tremendous impact on data diffusion in an MP2P environment. We have developed analytical models for our proposed scheme for object diffusion time/delay in a wireless mobile network to apprehend the interrelationship among these different parameters. In specific, we present the analytical model of object propagation in mobile networks as a function of node densities, radio range, and node speed. In the analysis, we calculate the probabilities of transmitting a single object from one node to multiple nodes using the epidemic model of spread of disease. We also incorporate the impact of node mobility, radio range, and node density in the networks into the analysis. Utilizing these transition probabilities, we construct an analytical model based on the Markov process to estimate the expected delay for diffusing an object to the entire network both for single object and multiple object scenarios. We then calculate the transmission probabilities of multiple objects among the nodes in wireless mobile networks considering network dynamics. Through extensive simulations, we demonstrate that the proposed scheme is efficient for data diffusion in mobile networks