Surveying Position Based Routing Protocols for Wireless Sensor and Ad-hoc Networks

A focus of the scientific community is to design network oriented position-based routing protocols and this has resulted in a very high number of algorithms, different in approach and performance and each suited only to particular applications. However, though numerous, very few position-based algorithms have actually been adopted for commercial purposes. This article is a survey of almost 50 position-based routing protocols and it comes as an aid in the implementation of this type of routing in various applications which may need to consider the advantages and pitfalls of position-based routing. An emphasis is made on geographic routing, whose notion is clarified as a more restrictive and more efficient type of position-based routing. The protocols are therefore divided into geographic and non-geographic routing protocols and each is characterized according to a number of network design issues and presented in a comparative manner from multiple points of view. The main requirements of current general applications are also studied and, depending on these, the survey proposes a number of protocols for use in particular application areas. This aims to help both researchers and potential users assess and choose the protocol best suited to their interest

Energy efficient geographic routing for wireless sensor networks.

A wireless sensor network consists of a large number of low-power nodes equipped with wireless radio. For two nodes not in mutual transmission range, message exchanges need to be relayed through a series of intermediate nodes, which is a process known as multi-hop routing. The design of efficient routing protocols for dynamic network topologies is a crucial for scalable sensor networks. Geographic routing is a recently developed technique that uses locally available position information of nodes to make packet forwarding decisions. This dissertation develops a framework for energy efficient geographic routing. This framework includes a path pruning strategy by exploiting the channel listening capability, an anchor-based routing protocol using anchors to act as relay nodes between source and destination, a geographic multicast algorithm clustering destinations that can share the same next hop, and a lifetime-aware routing algorithm to prolong the lifetime of wireless sensor networks by considering four important factors: PRR (Packet Reception Rate), forwarding history, progress and remaining energy. This dissertation discusses the system design, theoretic analysis, simulation and testbed implementation involved in the aforementioned framework. It is shown that the proposed design significantly improves the routing efficiency in sensor networks over existing geographic routing protocols. The routing methods developed in this dissertation are also applicable to other location-based wireless networks

RandomCast: An Energy-Efficient Communication Scheme for Mobile Ad Hoc Networks

In mobile ad hoc networks (MANETs), every node overhears every data transmission occurring in its vicinity and thus, consumes energy unnecessarily. However, since some MANET routing protocols such as dynamic source routing (DSR) collect route information via overhearing, they would suffer if they are used in combination with 802.11 PSM. Allowing no overhearing may critically deteriorate the performance of the underlying routing protocol, while unconditional overhearing may offset the advantage of using PSM. This paper proposes a new communication mechanism, called RandomCast, via which a sender can specify the desired level of overhearing, making a prudent balance between energy and routing performance. In addition, it reduces redundant rebroadcasts for a broadcast packet, and thus, saves more energy. Extensive simulation using NS-2 shows that RandomCast is highly energy-efficient compared to conventional 802.11 as well as 802.11 PSM-based schemes, in terms of total energy consumption, energy goodput, and energy balance

Delay Tolerant Networks for Efficient Information Harvesting and Distribution in Intelligent Transportation Systems

[EN] Intelligent Transportation Systems (ITS) can make transportation safer, more efficient, and more sustainable by applying various information and communication technologies. One of these technologies are \acfp{VN}. \acp{VN} combine different communication solutions such as cellular networks, \acfp{VANET}, or IEEE 802.11 technologies to provide connectivity among vehicles, and between vehicles and road infrastructure. This thesis focuses on VNs, and considers that the high speed of the nodes and the presence of obstacles like buildings, produces a highly variable network topology, as well as more frequent partitions in the network. Therefore, classical \ac{MANET} protocols do not adapt well to VANETs. Under these conditions, \ac{DTN} have been proposed as an alternative able to cope with these adverse characteristics. In DTN, when a message cannot be routed to its destination, it is not immediately dropped but it is instead stored and carried until a new route becomes available. The combination of VN and DTN is called \acp{VDTN}. In this thesis, we propose a new VDTN protocol designed to collect information from vehicular sensors. Our proposal, called \ac{MSDP}, combines information about the localization obtained from a GNSS system with the actual street/road layout obtained from a Navigation System (NS) to define a new routing metric. Both analytical and simulation results prove that MSDP outperforms previous proposals. Concerning the deployment of VNs and VANET technologies, technology already left behind the innovation and the standardization phases, and it is about time it reach the first early adopters in the market. However, most car manufacturers have decided to implement VN devices in the form of On Board Units (OBUs), which are expensive, heavily manufacturer dependent, and difficult to upgrade. These facts are delaying the deployment of VN. To boost this process, we have developed the GRCBox architecture. This architecture is based on low-cost devices and enables the establishment of V2X, \emph{i.e.} V2I and V2V, communications while integrating users by easing the use of general purpose devices like smartphones, tablets or laptops. To demonstrate the viability of the GRCBox architecture, we combined it with a DTN platform called Scampi to obtain actual results over a real VDTN scenario. We also present several GRCBox-aware applications that illustrate how developers can create applications that bring the potential of VN to user devices.[ES] Los sistemas de transporte inteligente (ITS) son el soporte para el establecimiento de un transporte más seguro, más eficiente y más sostenible mediante el uso de tecnologías de la información y las comunicaciones. Una de estas tecnologías son las redes vehiculares (VNs). Las VNs combinan diferentes tecnologías de comunicación como las redes celulares, las redes ad-hoc vehiculares (VANETs) o las redes 802.11p para proporcionar conectividad entre vehículos, y entre vehículos y la infraestructura de carreteras. Esta tesis se centra en las VNs, en las cuales la alta velocidad de los nodos y la presencia de obstáculos como edificios producen una topología de red altamente variable, así como frecuentes particiones en la red. Debido a estas características, los protocolos para redes móviles ad-hoc (MANETs) no se adaptan bien a las VANETs. En estas condiciones, las redes tolerantes a retardos (DTNs) se han propuesto como una alternativa capaz de hacer frente a estos problemas. En DTN, cuando un mensaje no puede ser encaminado hacia su destino, no es inmediatamente descartado sino es almacenado hasta que una nueva ruta esta disponible. Cuando las VNs y las DTNs se combinan surgen las redes vehiculares tolerantes a retardos (VDTN). En esta tesis proponemos un nuevo protocolo para VDTNs diseñado para recolectar la información generada por sensores vehiculares. Nuestra propuesta, llamada MSDP, combina la información obtenida del servicio de información geográfica (GIS) con el mapa real de las calles obtenido del sistema de navegación (NS) para definir una nueva métrica de encaminamiento. Resultados analíticos y mediante simulaciones prueban que MSDP mejora el rendimiento de propuestas anteriores. En relación con el despliegue de las VNs y las tecnologías VANET, la tecnología ha dejado atrás las fases de innovación y estandarización, ahora es el momento de alcanzar a los primeros usuarios del mercado. Sin embargo, la mayoría de fabricantes han decidido implementar los dispositivos para VN como unidades de a bordo (OBU), las cuales son caras y difíciles de actualizar. Además, las OBUs son muy dependientes del fabricante original. Todo esto esta retrasando el despliegue de las VNs. Para acelerar la adopción de las VNs, hemos desarrollado la arquitectura GRCBox. La arquitectura GRCBox esta basada en un dispositivo de bajo coste que permite a los usuarios usar comunicaciones V2X (V2V y V2I) mientras utilizan dispositivos de propósito general como teléfonos inteligentes, tabletas o portátiles. Las pruebas incluidas en esta tesis demuestran la viabilidad de la arquitectura GRCBox. Mediante la combinación de nuestra GRCBox y una plataforma de DTN llamada Scampi hemos diseñado y probado un escenario VDTN real. También presentamos como los desarrolladores pueden crear nuevas aplicaciones GRCBox para llevar el potencial de las VN a los dispositivos de usuario.[CA] Els sistemes de transport intel·ligent (ITS) poden crear un transport més segur, més eficient i més sostenible mitjançant l'ús de tecnologies de la informació i les comunicacions aplicades al transport. Una d'aquestes tecnologies són les xarxes vehiculars (VN). Les VN combinen diferents tecnologies de comunicació, com ara les xarxes cel·lulars, les xarxes ad-hoc vehiculars (VANET) o les xarxes 802.11p, per a proporcionar comunicació entre vehicles, i entre vehicles i la infraestructura de carreteres. Aquesta tesi se centra en les VANET, en les quals l'alta velocitat dels nodes i la presència d'obstacles, com els edificis, produeixen una topologia de xarxa altament variable, i també freqüents particions en la xarxa. Per aquest motiu, els protocols per a xarxes mòbils ad-hoc (MANET) no s'adapten bé. En aquestes condicions, les xarxes tolerants a retards (DTN) s'han proposat com una alternativa capaç de fer front a aquests problemes. En DTN, quan un missatge no pot ser encaminat cap a la seua destinació, no és immediatament descartat sinó que és emmagatzemat fins que apareix una ruta nova. Quan les VN i les DTN es combinen sorgeixen les xarxes vehicular tolerants a retards (VDTN). En aquesta tesi proposem un nou protocol per a VDTN dissenyat per a recol·lectar la informació generada per sensors vehiculars. La nostra proposta, anomenada MSDP, combina la informació obtinguda del servei d'informació geogràfica (GIS) amb el mapa real dels carrers obtingut del sistema de navegació (NS) per a definir una nova mètrica d'encaminament. Resultats analítics i mitjançant simulacions proven que MSDP millora el rendiment de propostes prèvies. En relació amb el desplegament de les VN i les tecnologies VANET, la tecnologia ha deixat arrere les fases d'innovació i estandardització, ara és temps d'aconseguir als primers usuaris del mercat. No obstant això, la majoria de fabricants han decidit implementar els dispositius per a VN com a unitats de bord (OBU), les quals són cares i difícils d'actualitzar. A més, les OBU són molt dependents del fabricant original. Tot això està retardant el desplegament de les VN. Per a accelerar l'adopció de les VN, hem desenvolupat l'arquitectura GRCBox. L'arquitectura GRCBox està basada en un dispositiu de baix cost que permet als usuaris usar comunicacions V2V mentre usen dispositius de propòsit general, com ara telèfons intel·ligents, tauletes o portàtils. Les proves incloses en aquesta tesi demostren la viabilitat de l'arquitectura GRCBox. Mitjançant la combinació de la nostra GRCBox i la plataforma de DTN Scampi, hem dissenyat i provat un escenari VDTN pràctic. També presentem com els desenvolupadors poden crear noves aplicacions GRCBox per a portar el potencial de les VN als dispositius d'usuari.Martínez Tornell, S. (2016). Delay Tolerant Networks for Efficient Information Harvesting and Distribution in Intelligent Transportation Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68486TESI

Contribution to the design of VANET routing protocols for realistic urban environments

One of the main concerns of the cities' administration is mobility management. In Intelligent Transportation Systems (ITS), pedestrians, vehicles and public transportation systems could share information and react to any situation in the city. The information sensed by vehicles could be useful for other vehicles and for the mobility authorities. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) make possible the communication between vehicles (V2I) and also between vehicles and fixed infrastructure (V2I) managed by the city's authorities. In addition, VANET routing protocols minimize the use of fixed infrastructure since they employ multi-hop V2V communication to reach reporting access points of the city. This thesis aims to contribute in the design of VANET routing protocols to enable reporting services (e.g., vehicular traffic notifications) in urban environments. The first step to achieve this global objective has been the study of components and tools to mimic a realistic VANET scenario. Moreover, we have analyzed the impact of the realism of each one of those components in the simulation results. Then, we have improved the Address Resolution procedure in VANETs by including it in the routing signaling messages. Our approach simplifies the VANET operation and increases the packet delivery ratio as consequence. Afterwards, we have tackled the issue of having duplicate packets in unicast communications and we have proposed routing filters to lower their presence. This way we have been able to increase the available bandwidth and reduce the average packet delay with a slight increase of the packet losses. Besides, we have proposed a Multi-Metric Map aware routing protocol (MMMR) that incorporates four routing metrics (distance, trajectory, vehicle density and available bandwidth) to take the forwarding decisions. With the aim of increasing the number of delivered packets in MMMR, we have developed a Geographical Heuristic Routing (GHR) algorithm. GHR integrates Tabu and Simulated Annealing heuristic optimization techniques to adapt its behavior to the specific scenario characteristics. GHR is generic because it could use any geographical routing protocol to take the forwarding decisions. Additionally, we have designed an easy to implement forwarding strategy based on an extended topology information area of two hops, called 2-hops Geographical Anycast Routing (2hGAR) protocol. Results show that controlled randomness introduced by GHR improves the default operation of MMMR. On the other hand, 2hGAR presents lower delays than GHR and higher packet delivery ratio, especially in high density scenarios. Finally, we have proposed two mixed (integer and linear) optimization models to detect the best positions in the city to locate the Road Side Units (RSUs) which are in charge of gathering all the reporting information generated by vehicles.Una de las principales preocupaciones en la administración de las ciudades es la gestión de la movilidad de sus vehículos, debido a los problemas de tráfico como atascos y accidentes. En los sistemas inteligentes de transporte (SIT), peatones, vehículos y transporte público podrán compartir información y adaptarse a cualquier situación que suceda en la ciudad. La información obtenida por los sensores de los vehículos puede ser útil para otros vehículos y para las autoridades de movilidad. Las redes ad hoc vehiculares (VANETs) hacen posible la comunicación entre los propios vehículos (V2V) y entre vehículos y la infraestructura fija de la red de la ciudad (V2I). Asimismo, los protocolos de encaminamiento para redes vehiculares minimizan el uso de infraestructura fija de red, ya que los protocolos de encaminamiento VANET emplean comunicaciones multisalto entre vehículos para encaminar los mensajes hasta los puntos de acceso de la red en la ciudad. El objetivo de esta tesis doctoral es contribuir en el diseño de protocolos de encaminamiento en redes ad hoc vehiculares para servicios de notificaciones (p.ej. reportes del estado del tráfico) en entornos urbanos. El primer paso para alcanzar este objetivo general ha sido el estudio de componentes y herramientas para simular un escenario realista de red ad hoc vehicular. Además, se ha analizado el impacto del nivel de realismo de cada uno de los componentes de simulación en los resultados obtenidos. Así también, se ha propuesto un mecanismo de resolución de direcciones automático y coherente para redes VANET a través del uso de los propios mensajes de señalización de los protocolos de encaminamiento. Esta mejora simplifica la operación de una red ad hoc vehicular y como consecuencia aumenta la tasa de recepción de paquetes. A continuación, se ha abordado el problema de la aparición inesperada de paquetes de datos duplicados en una comunicación punto a punto. Para ello, se ha propuesto el filtrado de paquetes duplicados a nivel del protocolo de encaminamiento. Esto ha producido un incremento del ancho disponible en el canal y una reducción del retardo medio en la trasmisión de un paquete, a costa de un mínimo aumento de la pérdida de paquetes. Por otra parte, hemos propuesto un protocolo de encaminamiento multi-métrica MMMR (Multi-Metric Map-aware Routing protocol), el cual incorpora cuatro métricas (distancia al destino, trayectoria, densidad de vehículos y ancho de banda) en las decisiones de encaminamiento. Con el objetivo de aumentar la tasa de entrega de paquetes en MMMR, hemos desarrollado un algoritmo heurístico de encaminamiento geográfico denominado GHR (Geographical Heuristic Routing). Esta propuesta integra las técnicas de optimización Tabu y Simulated Annealing, que permiten a GHR adaptarse a las características específicas del escenario. Adicionalmente, hemos propuesto 2hGAR (2-hops Geographical Anycast Routing), un protocolo de encaminamiento anycast que emplea información de la topología de red a dos saltos de distancia para tomar la decisión de encaminamiento de los mensajes. Los resultados muestran que la aleatoriedad controlada de GHR en su operación mejora el rendimiento de MMMR. Asimismo, 2hGAR presenta retardos de paquete menores a los obtenidos por GHR y una mayor tasa de paquetes entregados, especialmente en escenarios con alta densidad de vehículos. Finalmente, se han propuesto dos modelos de optimización mixtos (enteros y lineales) para detectar los mejores lugares de la ciudad donde ubicar los puntos de acceso de la red, los cuales se encargan de recolectar los reportes generados por los vehículos.Postprint (published version