Robotic Wireless Sensor Networks

In this chapter, we present a literature survey of an emerging, cutting-edge, and multi-disciplinary field of research at the intersection of Robotics and Wireless Sensor Networks (WSN) which we refer to as Robotic Wireless Sensor Networks (RWSN). We define a RWSN as an autonomous networked multi-robot system that aims to achieve certain sensing goals while meeting and maintaining certain communication performance requirements, through cooperative control, learning and adaptation. While both of the component areas, i.e., Robotics and WSN, are very well-known and well-explored, there exist a whole set of new opportunities and research directions at the intersection of these two fields which are relatively or even completely unexplored. One such example would be the use of a set of robotic routers to set up a temporary communication path between a sender and a receiver that uses the controlled mobility to the advantage of packet routing. We find that there exist only a limited number of articles to be directly categorized as RWSN related works whereas there exist a range of articles in the robotics and the WSN literature that are also relevant to this new field of research. To connect the dots, we first identify the core problems and research trends related to RWSN such as connectivity, localization, routing, and robust flow of information. Next, we classify the existing research on RWSN as well as the relevant state-of-the-arts from robotics and WSN community according to the problems and trends identified in the first step. Lastly, we analyze what is missing in the existing literature, and identify topics that require more research attention in the future

Routing UAVs to Co-Optimize Mission Effectiveness and Network Performance with Dynamic Programming

In support of the Air Force Research Laboratory\u27s (AFRL) vision of the layered sensing operations center, command and control intelligence surveillance and reconnaissance (C2ISR) more focus must be placed on architectures that support information systems, rather than just the information systems themselves. By extending the role of UAVs beyond simply intelligence, surveillance, and reconnaissance (ISR) operations and into a dual-role with networking operations we can better utilize our information assets. To achieve the goal of dual-role UAVs, a concrete approach to planning must be taken. This research defines a mathematical model and a non-trivial deterministic algorithmic approach to determining UAV placement to support ad-hoc network capability, while maintaining the valuable service of surveillance activities

Connectivity and Data Transmission over Wireless Mobile Systems

We live in a world where wireless connectivity is pervasive and becomes ubiquitous. Numerous devices with varying capabilities and multiple interfaces are surrounding us. Most home users use Wi-Fi routers, whereas a large portion of human inhabited land is covered by cellular networks. As the number of these devices, and the services they provide, increase, our needs in bandwidth and interoperability are also augmented. Although deploying additional infrastructure and future protocols may alleviate these problems, efficient use of the available resources is important. We are interested in the problem of identifying the properties of a system able to operate using multiple interfaces, take advantage of user locations, identify the users that should be involved in the routing, and setup a mechanism for information dissemination. The challenges we need to overcome arise from network complexity and heterogeneousness, as well as the fact that they have no single owner or manager. In this thesis I focus on two cases, namely that of utilizing "in-situ" WiFi Access Points to enhance the connections of mobile users, and that of establishing "Virtual Access Points" in locations where there is no fixed roadside equipment available. Both environments have attracted interest for numerous related works. In the first case the main effort is to take advantage of the available bandwidth, while in the second to provide delay tolerant connectivity, possibly in the face of disasters. Our main contribution is to utilize a database to store user locations in the system, and to provide ways to use that information to improve system effectiveness. This feature allows our system to remain effective in specific scenarios and tests, where other approaches fail

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

Overview of Infrastructure Charging, part 4, IMPROVERAIL Project Deliverable 9, “Improved Data Background to Support Current and Future Infrastructure Charging Systems”

Improverail aims are to further support the establishment of railway infrastructure management in accordance with Directive 91/440, as well as the new railway infrastructure directives, by developing the necessary tools for modelling the management of railway infrastructure; by evaluating improved methods for capacity and resources management, which allow the improvement of the Life Cycle Costs (LCC) calculating methods, including elements related to vehicle - infrastructure interaction and external costs; and by improving data background in support of charging for use of railway infrastructure. To achieve these objectives, Improverail is organised along 8 workpackages, with specific objectives, responding to the requirements of the task 2.2.1/10 of the 2nd call made in the 5th RTD Framework Programme in December 1999.This part is the task 7.1 (Review of infrastructure charging systems) to the workpackage 7 (Analysis of the relation between infrastructure cost variation and diversity of infrastructure charging systems).Before explaining the economic characteristics of railway and his basic pricing principles, authors must specify the objectives of railways infrastructure charging.principle of pricing ; rail infrastructure charging ; public service obligation ; rail charging practice ; Europe ; Improverail

Cooperative data muling using a team of unmanned aerial vehicles

Philosophiae Doctor - PhDUnmanned Aerial Vehicles (UAVs) have recently o ered signi cant technological achievements. The advancement in related applications predicts an extended need for automated data muling by UAVs, to explore high risk places, ensure e ciency and reduce the cost of various products and services. Due to advances in technology, the actual UAVs are not as expensive as they once were. On the other hand, they are limited in their ight time especially if they have to use fuel. As a result, it has recently been proposed that they could be assisted by the ground static sensors which provide information of their surroundings. Then, the UAVs need only to provide actions depending on information received from the ground sensors. In addition, UAVs need to cooperate among themselves and work together with organised ground sensors to achieve an optimal coverage. The system to handle the cooperation of UAVs, together with the ground sensors, is still an interesting research topic which would bene t both rural and urban areas. In this thesis, an e cient ground sensor network for optimal UAVs coverage is rst proposed. This is done using a clustering scheme wherein, each cluster member transmits its sensor readings to its cluster head. A more e cient routing scheme for delivering readings to cluster head(s) for collection by UAVs is also proposed. Furthermore, airborne sensor deployment models are provided for e cient data collection from a unique sensor/target. The model proposed for this consists of a scheduling technique which manages the visitation of UAVs to target. Lastly, issues relating to the interplay between both types of sensor (airborne and ground/underground) networks are addressed by proposing the optimal UAVs task allocation models; which take caters for both the ground networking and aerial deployment. Existing network and tra c engineering techniques were adopted in order to handle the internetworking of the ground sensors. UAVs deployment is addressed by adopting Operational Research techniques including dynamic assignment and scheduling models. The proposed models were validated by simulations, experiments and in some cases, formal methods used to formalise and prove the correctness of key properties

No woman's land:Feminist approaches to the ride-hailing sector and digital labor platforms in India

In this dissertation, I investigate the concerns, issues and opportunities for platform labor reform with a focus on the ride-hailing sector using Bardzell (2010)’s feminist lens. The feminist viewpoint keeps the marginal user at the center committing to equity, diversity, identity, empowerment, and social justice to improve the work conditions of gig workers in the Global South. By conducting in-depth qualitative interviews with the different stakeholders of the ride-hailing sector, and analysing case studies, media coverage, policy papers, and research reports, I suggest guidelines for redesigning the digital labor platforms