33 research outputs found

    Connectivity Analysis in Vehicular Ad-hoc Network based on VDTN

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    In the last decade, user demand has been increasing exponentially based on modern communication systems. One of these new technologies is known as mobile ad-hoc networking (MANET). One part of MANET is called a vehicular ad-hoc network (VANET). It has different types such as vehicle-to-vehicle (V2V), vehicular delay-tolerant networks, and vehicle-to-infrastructure (V2I). To provide sufficient quality of communication service in the Vehicular Delay-Tolerant Network (VDTN), it is important to present a comprehensive survey that shows the challenges and limitations of VANET. In this paper, we focus on one type of VANET, which is known as VDTNs. To investigate realistic communication systems based on VANET, we considered intelligent transportation systems (ITSs) and the possibility of replacing the roadside unit with VDTN. Many factors can affect the message propagation delay. When road-side units (RSUs) are present, which leads to an increase in the message delivery efficiency since RSUs can collaborate with vehicles on the road to increase the throughput of the network, we propose new methods based on environment and vehicle traffic and present a comprehensive evaluation of the newly suggested VDTN routing method. Furthermore, challenges and prospects are presented to stimulate interest in the scientific community

    Modelling and Delay Analysis of Intermittently Connected Roadside Communication Networks

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    During the past decade, consumers all over the world have been showing an incremental interest in vehicular technology. The world’s leading vehicle manufacturers have been and are still engaged in continuous competitions to present for today’s sophisticated drivers, vehicles that gratify their demands. This has lead to an outstanding advancement and development of the vehicular manufacturing industry and has primarily contributed to the augmentation of the twenty first century’s vehicle with an appealing and intelligent personality. Particularly, the marriage of information technology to the transport infrastructure gave birth to a novel communication paradigm known as Vehicular Networking. More precisely, being equipped with computerized modules and wireless communication devices, the majority of today’s vehicles qualify to act as typical mobile network nodes that are able to communicate with each other. In addition, these vehicles can as well communicate with other wireless units such as routers, access points, base stations and data posts that are arbitrarily deployed at fixed locations along roadways. These fixed units are referred to as Stationary Roadside Units (SRUs). As a result, ephemeral and self-organized networks can be formed. Such networks are known as Vehicular Networks and constitute the core of the latitudinarian Intelligent Transportation System (ITS) that embraces a wide variety of applications including but not limited to: traffic management, passenger and road safety, environment monitoring and road surveillance, hot-spot guidance, on the fly Internet access, remote region connectivity, information sharing and dissemination, peer-to-peer services and so forth. This thesis presents an in-depth investigation on the possibility of exploiting mobile vehicles to establish connectivity between isolated SRUs. A network of intercommunicating SRUs is referred to as an Intermittently Connected Roadside Communication Network (ICRCN). While inter-vehicular communication as well as vehicle-to-SRU communication has been widely studied in the open literature, the inter-SRU communication has received very little attention. In this thesis, not only do we focus on inter-SRU connectivity establishment through the transport infrastructure but also on the objective of achieving delay-minimal data delivery from a source SRU to a destination SRU in. This delivery process is highly dependent on the vehicular traffic behaviour and more precisely on the arrival times of vehicles to the source SRU as well as these vehicles’ speeds. Vehicle arrival times and speeds are, in turn, highly random and are not available a priori. Under such conditions, the realization of the delay-minimal data delivery objective becomes remarkably challenging. This is especially true since, upon the arrival of vehicles, the source SRU acts on the spur of the moment and evaluates the suitability of the arriving vehicles. Data bundles are only released to those vehicles that contribute the most to the minimization of the average bundle end-to-end delivery delays. Throughout this thesis, several schemes are developed for this purpose. These schemes differ in their enclosed vehicle selection criterion as well as the adopted bundle release mechanism. Queueing models are developed for the purpose of capturing and describing the source SRU’s behaviour as well as the contents of its buffer and the experienced average bundle queueing delay under each of theses schemes. In addition, several mathematical frameworks are established for the purpose of evaluating the average bundle transit delay. Extensive simulations are conducted to validate the developed models and mathematical analyses

    Cooperative Content Dissemination on Vehicle Networks

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    As redes veiculares têm sido alvo de grandes avanços nos últimos anos, sobretudo devido ao crescente interesse por veículos inteligentes e autónomos que motiva investimentos avultados por parte da indústria automóvel. A inexistência de uma forma oportuna e económica de executar atualizações OTA (over-the-air) está a contribuir para o adiar do lançamento de grandes frotas de veículos inteligentes. O custo associado à transmissão de dados através de redes celulares é muito elevado e não se pode garantir que cada veículo tenha acesso a uma estação ou estacionamento com conectividade adequada em tempo útil, onde possa obter os dados esperados. Com base nestas premissas, esta tese apresenta a concepção e implementação de um protocolo cooperativo de disseminação de conteúdos que aproveita as ligações Veículo-a-Veículo (V2V) para assegurar uma distribuição de dados pela rede com custos reduzidos. Além disso, este trabalho é complementado e suportado com uma análise do desempenho do protocolo numa rede de 25 veículos.Vehicular networks have seen great advancements over the last few years, mostly due to the increased eagerness for smart and autonomous vehicles that motivate hefty investments by the automotive industry. The absence of a timely and cost-effective way to perform over-the-air (OTA) updates is contributing to defer the deployment of large fleets of connected vehicles. There is a high cost associated with transmitting data over cellular networks and it cannot be expected that every vehicle has access to a station or depot with adequate connectivity where it can get the awaited data cheaply nor that this solution happens timely enough. With this in mind, this thesis presents the design and implementation of a cooperative content dissemination protocol that takes advantage of Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication links to distribute data across a network with reduced costs. Moreover, this work is complemented with a performance analysis of the protocol on a deployed network of 25 vehicles

    A Message Transfer Framework for Enhanced Reliability in Delay-and Disruption-Tolerant Networks

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    Many infrastructure-less networks require quick, ad hoc deployment and the ability to deliver messages even if no instantaneous end-to-end path can be found. Such networks include large-scale disaster recovery networks, mobile sensor networks for ecological monitoring, ocean sensor networks, people networks, vehicular networks and projects for connectivity in developing regions such as TIER (Technology and Infrastructure for Emerging Regions). These types of networks can be realized with delay-and disruption-tolerant network (DTN) technology. Generally, messages in DTNs are transferred hop-by-hop toward the destination in an overlay above the transport layer called the ''bundle layer''. Unlike mobile ad hoc networks (MANETs), DTNs can tolerate disruption on end-to-end paths by taking advantage of temporal links emerging between nodes as nodes move in the network. Intermediate nodes store messages before forwarding opportunities become available. A series of encounters (i.e., coming within mutual transmission range) among different nodes will eventually deliver the message to the desired destination. The message delivery performance (such as delivery ratio and delay) in a DTN highly depends on time elapsed between encounters (inter-contact time) and the time two nodes remain in each others communication range once a contact is established (contact-duration). As messages are forwarded opportunistically among nodes, it is important to have sufficient contact opportunities in the network for faster, more reliable delivery of messages. In this thesis, we propose a simple yet efficient method for increasing DTN performance by increasing the contact duration of encountered nodes (i.e., mobile devices). Our proposed sticky transfer framework and protocol enable nodes in DTNs to collect neighbors' information, evaluate their movement patterns and amounts of data to transfer in order to make decisions of whether to ''stick'' with a neighbor to complete the necessary data transfers. Nodes intelligently negotiate sticky transfer parameters such as stick duration, mobility speed and movement directions based on user preferences and collected information. The sticky transfer framework can be combined with any DTN routing protocol to improve its performance. Our simulation results show that the proposed framework can improve the message delivery ratio by up to 38% and the end-to-end message transfer delay by up to 36%

    Experimental Analysis of Opportunistic Communication for Vehicular Internet Access

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    This thesis examines the problem of using 802.11 hotspots for vehicular Internet access. In this access paradigm, a user in a vehicle performs batch transfers by opportunistically communicating with roadside 802.11 access points while driving along a highway. Despite the short connection duration, a significant amount of data can be transferred. Because complete coverage is not needed, this method of Internet access provides a low-cost alternative to using cellular technology for applications that can tolerate some delay and require large data transfer such as sending or receiving music, movies, or digital photographs. Although vehicular opportunistic connections offer the potential to transfer a large of amount of data, utilizing this potential is non-trivial because existing transport and data-link layer network protocols were not designed for this use. This thesis presents an experimental analysis of transport and data-link layer protocol operation at a level of detail not previously explored. We identify ten problems that cause a reduction of up to 50% of the amount of data that could have been transferred in this scenario. Our primary finding is that transmission errors during connection setup and inadequate MAC data rate selection are the main causes of the under-utilization of the connection. Based on these findings we make preliminary recommendations for best practices for using vehicular opportunistic connections. In particular, we argue that overall throughput could be significantly improved if environmental information was available to the lower layer network protocols

    Construction of a real vehicular delay-tolerant network testbed

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    Vehicular Delay-Tolerant Networks (VDTNs) appear as innovative network architecture, able to outline communication challenges caused by issues like variable delays, disruption and intermittent connectivity once that it utilizes the store-carry-and-forward method to allow that in-transit messages (called bundles) can be delivered to the destination by hopping over the mobile vehicles even that an end-to-end path does not exist. Since messages are stored persistently in a buffer and forward to the next hop, a new communication infrastructure is created allowing low-cost asynchronous opportunistic communication under the most critical situations like variable delays and bandwidth constraints. VDTN introduces a layered architecture, acting as an overlay network over the link layer, aggregating incoming IP packets in data bundles (large IP packets), using out-of-band signaling, based on the separation of the control plane and planes. This dissertation presents and evaluates the performance of a real VDTN testbed, demonstrating the real applicability of this new vehicular communication approach. It includes an embedded VDTN testbed created to evaluate safety systems in a real-world scenario. It was used cars with laptops to realize terminal and relay nodes. A real testbed is very important because some complex issues presented in vehicular communication systems can be treated with more realism in real-world environments than in a laboratory environment. The experiments were performed on the internal streets of Brazilian Fiat Automobile manufacturing plant. Performance measurements and analysis were also conduct to verify the efficiency of the system. The results obtained show that safety applications and services can be executed with the actual proposal VDTN architecture in several environments, although notable interference as fading and characteristics of the radio channel, require the use of more modern, appropriate and robust technologies. Thus, the real deployment of VDTNs confirms that VDTNs can be seen as a very promising technology for vehicular communications.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

    Computer-network Solutions for Pervasive Computing

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    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

    Reliable Communications over Heterogeneous Wireless Networks

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    The recent years have seen an enormous advance in wireless communication technology and co-existence of various types of wireless networks, which requires effective inter-networking among the heterogeneous wireless networks in order to support user roaming over the networks while maintaining the connectivity. One of main challenges to achieve the connectivity over heterogeneous wireless networks is potential intermittent connections caused by user roaming. The issue is how to maintain the connection as the user roams and how to ensure service quality in the presence of a long disconnection period. In this dissertation, we apply the delay tolerant network (DTN) framework to heterogeneous terrestrial wireless networks, and propose a system architecture to achieve the connectivity in the presence of excessive long delays and intermittent paths. We study several possible approaches, discuss the applicability of each of the approaches and propose the super node architecture. To demonstrate the effectiveness of the proposed super node architecture, we give a simulation study that compares the system performance under the super node architecture and under the epidemic based architecture. Within the proposed architecture that employs the idea of super nodes, we further study how to effectively route a message over access networks. We present a new routing technique for mobile ad-hoc networks (MANETs) based on the DTN system architecture. We introduce the concept of virtual network topology and redefine the dominating-set based routing for the challenged network environment under consideration. In addition, we propose a time based methodology to predict the probability of future contacts between node pairs to construct the virtual network topology. We present a simulation study that demonstrates the effectiveness of the proposed routing approach as compared with the epidemic routing, and that the time based technique for predicting the future contacts gives better performance compared with that using the number of previous contacts. We further extend the dominating set routing technique through analyzing the underlying node mobility model. We shed some light on how using node mobility model can improve contact probability estimation. Based on our findings we propose a new algorithm that improves the routing performance by minimizing the selected dominating set size. Information security challenges in the super node architecture are introduced. We further address two main security challenges: The first is how to prevent unauthorized nodes from using the network resources, and the second is how to achieve end-to-end secure message exchange over the network. Our proposed solutions are based on asymmetric key cryptography techniques. Moreover, we introduce a new idea of separating the problem of source authentication from the problem of message authorization. We propose a new technique that employs the one-way key chain to use symmetric key cryptographic techniques to address the problems under consideration
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