UAV Aided Data Collection for Wildlife Monitoring using Cache-enabled Mobile Ad-hoc Wireless Sensor Nodes

Unmanned aerial vehicle (UAV) assisted data collection is not a new concept and has been used in various mobile ad hoc networks. In this paper, we propose a caching assisted scheme alternative to routing in MANETs for the purpose of wildlife monitoring. Rather than deploying a routing protocol, data is collected and transported to and from a base station using a UAV. Although some literature exists on such an approach, we propose the use of intermediate caching between the mobile nodes and compare it to a baseline scenario where no caching is used. The paper puts forward our communication design where we have simulated the movement of multiple mobile sensor nodes in a field that move according to the Levy walk model imitating wildlife animal foraging and a UAV that makes regular trips across the field to collect data from them. The unmanned aerial vehicle can collect data not only from the current node it is communicating with but also data of other nodes that this node came into contact with. Simulations show that exchanging cached data is highly advantages as the drone can indirectly communicate with many more mobile nodes

A burst and congestion-aware routing metric for RPL protocol in IoT network

The packet loss and power consumption are the main issues considered once congestion occurs in any network, such as the Internet of Things (IoT) with a huge number of sensors and applications. Since IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL) is not initially designed for high stream traffic load, this restricts the application domain of RPL in several IoT scenarios such as burst traffic scenarios. The performance of RPL suffers in a network with burst traffic load, which leads to reducing the lifetime of the network and causing traffic congestion among the neighbour nodes. Therefore, to address this issue, we proposed a Burst and Congestion-Aware Metric for RPL called BCA-RPL, which calculates the rank, considering the number of packets. Also, the proposed mechanism includes congestion avoiding and load balancing techniques by switching the best parent selection to avoid the congested area. Our scheme is built and compared to the original RPL routing protocol for low power and lossy network with OF0 (OF0-RPL). Simulation results based on Cooja simulator shows BCA-RPL performs better than the original RPL-OF0 routing protocol in terms of packet loss, power consumption and packet delivery ratio (PDR) under burst traffic load. The BCA-RPL significantly improves the network where it decreases the packet loss around 50% and power consumption to an acceptable level with an improvement on the PDR of the IoT network

The RPL load balancing in IoT network with burst traffic scenarios

In Low Power and Lossy Networks (LLNs) sensor nodes are deployed in various traffic load conditions such as, regular and heavy traffic load. The adoption of Internet-of-Things enabled devices in the form of wearables and ubiquitous sensors and actuators has demanded LLNs to handle burst traffic load, which is an event required by myriad IoT devices in a shared LLN. In the large events, burst traffic load requires a new radical approach of load balancing, this scenario causes congestion increases and packet drops relatively when frequent traffic burst load rises in comparison with regular and heavy loads. In this paper, we introduced a new efficient load balance mechanism for traffic congestion in IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Network (RPL). To measure the communication quality and optimize the lifetime of the network, we have chosen packet delivery ratio (PDR) and power consumption (PC) as our metrics. We proposed a traffic-aware metric that utilizes ETX and parent count metrics (ETXPC), where communication quality for LLNs with RPL routing protocol are playing an important role in traffic engineering. In addition, we provided analytical results to quantify the impact of Minimum Rank with Hysteresis Objective on Function (MRHOF) and Objective Function zero (OF0) to the packet delivery, reliability and power consumption in LLNs. The simulation results pragmatically show that the proposed load balancing approach has increased packet delivery ratio with less power consumption

Architectures for the Future Networks and the Next Generation Internet: A Survey

Networking research funding agencies in the USA, Europe, Japan, and other countries are encouraging research on revolutionary networking architectures that may or may not be bound by the restrictions of the current TCP/IP based Internet. We present a comprehensive survey of such research projects and activities. The topics covered include various testbeds for experimentations for new architectures, new security mechanisms, content delivery mechanisms, management and control frameworks, service architectures, and routing mechanisms. Delay/Disruption tolerant networks, which allow communications even when complete end-to-end path is not available, are also discussed

It's about THYME: On the design and implementation of a time-aware reactive storage system for pervasive edge computing environments

This work was partially supported by Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT-MCTES) through project DeDuCe (PTDC/CCI-COM/32166/2017), NOVA LINCS UIDB/04516/2020, and grant SFRH/BD/99486/2014; and by the European Union through project LightKone (grant agreement n. 732505).Nowadays, smart mobile devices generate huge amounts of data in all sorts of gatherings. Much of that data has localized and ephemeral interest, but can be of great use if shared among co-located devices. However, mobile devices often experience poor connectivity, leading to availability issues if application storage and logic are fully delegated to a remote cloud infrastructure. In turn, the edge computing paradigm pushes computations and storage beyond the data center, closer to end-user devices where data is generated and consumed, enabling the execution of certain components of edge-enabled systems directly and cooperatively on edge devices. In this article, we address the challenge of supporting reliable and efficient data storage and dissemination among co-located wireless mobile devices without resorting to centralized services or network infrastructures. We propose THYME, a novel time-aware reactive data storage system for pervasive edge computing environments, that exploits synergies between the storage substrate and the publish/subscribe paradigm. We present the design of THYME and elaborate a three-fold evaluation, through an analytical study, and both simulation and real world experimentations, characterizing the scenarios best suited for its use. The evaluation shows that THYME allows the notification and retrieval of relevant data with low overhead and latency, and also with low energy consumption, proving to be a practical solution in a variety of situations.publishersversionpublishe

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

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

Counteracting Selfish Nodes Using Reputation Based System in Mobile Ad Hoc Networks

A mobile ad hoc network (MANET) is a group of nodes constituting a network of mobile nodes without predefined and pre-established architecture where mobile nodes can communicate without any dedicated access points or base stations. In MANETs, a node may act as a host as well as a router. Nodes in the network can send and receive packets through intermediate nodes. However, the existence of malicious and selfish nodes in MANETs severely degrades network performance. The identification of such nodes in the network and their isolation from the network is a challenging problem. Therefore, in this paper, a simple reputation-based scheme is proposed which uses the consumption and contribution information for selfish node detection and cooperation enforcement. Nodes failing to cooperate are detached from the network to save resources of other nodes with good reputation. The simulation results show that our proposed scheme outperforms the benchmark scheme in terms of NRL (normalized routing load), PDF (packet delivery fraction), and packet drop in the presence of malicious and selfish attacks. Furthermore, our scheme identifies the selfish nodes quickly and accurately as compared to the benchmark scheme

Named Data Networking in Vehicular Ad hoc Networks: State-of-the-Art and Challenges

International audienceInformation-Centric Networking (ICN) has been proposed as one of the future Internet architectures. It is poised to address the challenges faced by today's Internet that include, but not limited to, scalability, addressing, security, and privacy. Furthermore, it also aims at meeting the requirements for new emerging Internet applications. To realize ICN, Named Data Networking (NDN) is one of the recent implementations of ICN that provides a suitable communication approach due to its clean slate design and simple communication model. There are a plethora of applications realized through ICN in different domains where data is the focal point of communication. One such domain is Intelligent Transportation System (ITS) realized through Vehicular Ad hoc NETwork (VANET) where vehicles exchange information and content with each other and with the infrastructure. To date, excellent research results have been yielded in the VANET domain aiming at safe, reliable, and infotainment-rich driving experience. However, due to the dynamic topologies, host-centric model, and ephemeral nature of vehicular communication, various challenges are faced by VANET that hinder the realization of successful vehicular networks and adversely affect the data dissemination, content delivery, and user experiences. To fill these gaps, NDN has been extensively used as underlying communication paradigm for VANET. Inspired by the extensive research results in NDN-based VANET, in this paper, we provide a detailed and systematic review of NDN-driven VANET. More precisely, we investigate the role of NDN in VANET and discuss the feasibility of NDN architecture in VANET environment. Subsequently, we cover in detail, NDN-based naming, routing and forwarding, caching, mobility, and security mechanism for VANET. Furthermore, we discuss the existing standards, solutions, and simulation tools used in NDN-based VANET. Finally, we also identify open challenges and issues faced by NDN-driven VANET and highlight future research directions that should be addressed by the research community