Natural computing for vehicular networks

La presente tesis aborda el diseño inteligente de soluciones para el despliegue de redes vehiculares ad-hoc (vehicular ad hoc networks, VANETs). Estas son redes de comunicación inalámbrica formada principalmente por vehículos y elementos de infraestructura vial. Las VANETs ofrecen la oportunidad para desarrollar aplicaciones revolucionarias en el ámbito de la seguridad y eficiencia vial. Al ser un dominio tan novedoso, existe una serie de cuestiones abiertas, como el diseño de la infraestructura de estaciones base necesaria y el encaminamiento (routing) y difusión (broadcasting) de paquetes de datos, que todavía no han podido resolverse empleando estrategias clásicas. Es por tanto necesario crear y estudiar nuevas técnicas que permitan de forma eficiente, eficaz, robusta y flexible resolver dichos problemas. Este trabajo de tesis doctoral propone el uso de computación inspirada en la naturaleza o Computación Natural (CN) para tratar algunos de los problemas más importantes en el ámbito de las VANETs, porque representan una serie de algoritmos versátiles, flexibles y eficientes para resolver problemas complejos. Además de resolver los problemas VANET en los que nos enfocamos, se han realizado avances en el uso de estas técnicas para que traten estos problemas de forma más eficiente y eficaz. Por último, se han llevado a cabo pruebas reales de concepto empleando vehículos y dispositivos de comunicación reales en la ciudad de Málaga (España). La tesis se ha estructurado en cuatro grandes fases. En la primera fase, se han estudiado los principales fundamentos en los que se basa esta tesis. Para ello se hizo un estudio exhaustivo sobre las tecnologías que emplean las redes vehiculares, para así, identificar sus principales debilidades. A su vez, se ha profundizado en el análisis de la CN como herramienta eficiente para resolver problemas de optimización complejos, y de cómo utilizarla en la resolución de los problemas en VANETs. En la segunda fase, se han abordado cuatro problemas de optimización en redes vehiculares: la transferencia de archivos, el encaminamiento (routing) de paquetes, la difusión (broadcasting) de mensajes y el diseño de la infraestructura de estaciones base necesaria para desplegar redes vehiculares. Para la resolución de dichos problemas se han propuesto diferentes algoritmos CN que se clasifican en algoritmos evolutivos (evolutionary algorithms, EAs), métodos de inteligencia de enjambre (swarm intelligence, SI) y enfriamiento simulado (simulated annealing, SA). Los resultados obtenidos han proporcionado protocolos de han mejorado de forma significativa las comunicaciones en VANETs. En la tercera y última fase, se han realizado experimentos empleando vehículos reales circulando por las carreteras de Málaga y que se comunicaban entre sí. El principal objetivo de estas pruebas ha sido el validar las mejoras que presentan los protocolos que se han optimizado empleando CN. Los resultados obtenidos de las fases segunda y tercera confirman la hipótesis de trabajo, que la CN es una herramienta eficiente para tratar el diseño inteligente en redes vehiculares

Survey on Various Aspects of Clustering in Wireless Sensor Networks Employing Classical, Optimization, and Machine Learning Techniques

A wide range of academic scholars, engineers, scientific and technology communities are interested in energy utilization of Wireless Sensor Networks (WSNs). Their extensive research is going on in areas like scalability, coverage, energy efficiency, data communication, connection, load balancing, security, reliability and network lifespan. Individual researchers are searching for affordable methods to enhance the solutions to existing problems that show unique techniques, protocols, concepts, and algorithms in the wanted domain. Review studies typically offer complete, simple access or a solution to these problems. Taking into account this motivating factor and the effect of clustering on the decline of energy, this article focuses on clustering techniques using various wireless sensor networks aspects. The important contribution of this paper is to give a succinct overview of clustering

Opportunistic data collection and routing in segmented wireless sensor networks

La surveillance régulière des opérations dans les aires de manoeuvre (voies de circulation et pistes) et aires de stationnement d'un aéroport est une tâche cruciale pour son fonctionnement. Les stratégies utilisées à cette fin visent à permettre la mesure des variables environnementales, l'identification des débris (FOD) et l'enregistrement des statistiques d'utilisation de diverses sections de la surface. Selon un groupe de gestionnaires et contrôleurs d'aéroport interrogés, cette surveillance est un privilège des grands aéroports en raison des coûts élevés d'acquisition, d'installation et de maintenance des technologies existantes. Les moyens et petits aéroports se limitent généralement à la surveillance de quelques variables environnementales et des FOD effectuée visuellement par l'homme. Cette dernière activité impose l'arrêt du fonctionnement des pistes pendant l'inspection. Dans cette thèse, nous proposons une solution alternative basée sur les réseaux de capteurs sans fil (WSN) qui, contrairement aux autres méthodes, combinent les propriétés de faible coût d'installation et maintenance, de déploiement rapide, d'évolutivité tout en permettant d'effectuer des mesures sans interférer avec le fonctionnement de l'aéroport. En raison de la superficie d'un aéroport et de la difficulté de placer des capteurs sur des zones de transit, le WSN se composerait d'une collection de sous-réseaux isolés les uns des autres et du puits. Pour gérer cette segmentation, notre proposition s'appuie sur l'utilisation opportuniste des véhicules circulants dans l'aéroport considérés alors comme un type spécial de nœud appelé Mobile Ubiquitous LAN Extension (MULE) chargé de collecter les données des sous-réseaux le long de son trajet et de les transférer vers le puits. L'une des exigences pour le déploiement d'un nouveau système dans un aéroport est qu'il cause peu ou pas d'interruption des opérations régulières. C'est pourquoi l'utilisation d'une approche opportuniste basé sur des MULE est privilégiée dans cette thèse. Par opportuniste, nous nous référons au fait que le rôle de MULE est joué par certains des véhicules déjà existants dans un aéroport et effectuant leurs déplacements normaux. Et certains nœuds des sous- réseaux exploiteront tout moment de contact avec eux pour leur transmettre les données à transférer ensuite au puits. Une caractéristique des MULEs dans notre application est qu'elles ont des trajectoires structurées (suivant les voies de circulation dans l'aéroport), en ayant éventuellement un contact avec l'ensemble des nœuds situés le long de leur trajet (appelés sous-puits). Ceci implique la nécessité de définir une stratégie de routage dans chaque sous-réseau, capable d'acheminer les données collectées des nœuds vers les sous-puits et de répartir les paquets de données entre eux afin que le temps en contact avec la MULE soit utilisé le plus efficacement possible. Dans cette thèse, nous proposons un protocole de routage remplissant ces fonctions. Le protocole proposé est nommé ACME (ACO-based routing protocol for MULE-assisted WSNs). Il est basé sur la technique d'Optimisation par Colonies de Fourmis. ACME permet d'assigner des nœuds à des sous-puits puis de définir les chemins entre eux, en tenant compte de la minimisation de la somme des longueurs de ces chemins, de l'équilibrage de la quantité de paquets stockés par les sous-puits et du nombre total de retransmissions. Le problème est défini comme une tâche d'optimisation multi-objectif qui est résolue de manière distribuée sur la base des actions des nœuds dans un schéma collaboratif. Nous avons développé un environnement de simulation et effectué des campagnes de calculs dans OMNeT++ qui montrent les avantages de notre protocole en termes de performances et sa capacité à s'adapter à une grande variété de topologies de réseaux.The regular monitoring of operations in both movement areas (taxiways and runways) and non-movement areas (aprons and aircraft parking spots) of an airport, is a critical task for its functioning. The set of strategies used for this purpose include the measurement of environmental variables, the identification of foreign object debris (FOD), and the record of statistics of usage for diverse sections of the surface. According to a group of airport managers and controllers interviewed by us, the wide monitoring of most of these variables is a privilege of big airports due to the high acquisition, installation and maintenance costs of most common technologies. Due to this limitation, smaller airports often limit themselves to the monitoring of environmental variables at some few spatial points and the tracking of FOD performed by humans. This last activity requires stopping the functioning of the runways while the inspection is conducted. In this thesis, we propose an alternative solution based on Wireless Sensor Network (WSN) which, unlike the other methods/technologies, combines the desirable properties of low installation and maintenance cost, scalability and ability to perform measurements without interfering with the regular functioning of the airport. Due to the large extension of an airport and the difficulty of placing sensors over transit areas, the WSN might result segmented into a collection of subnetworks isolated from each other and from the sink. To overcome this problem, our proposal relies on a special type of node called Mobile Ubiquitous LAN Extension (MULE), able to move over the airport surface, gather data from the subnetworks along its way and eventually transfer it to the sink. One of the main demands for the deployment of any new system in an airport is that it must have little or no interference with the regular operations. This is why the use of an opportunistic approach for the transfer of data from the subnetworks to the MULE is favored in this thesis. By opportunistic we mean that the role of MULE will be played by some of the typical vehicles already existing in an airport doing their normal displacements, and the subnetworks will exploit any moment of contact with them to forward data to the sink. A particular characteristic of the MULEs in our application is that they move along predefined structured trajectories (given by the layout of the airport), having eventual contact with the set of nodes located by the side of the road (so-called subsinks). This implies the need for a data routing strategy to be used within each subnetwork, able to lead the collected data from the sensor nodes to the subsinks and distribute the data packets among them so that the time in contact with the MULE is used as efficiently as possible. In this thesis, we propose a routing protocol which undertakes this task. Our proposed protocol is named ACME, standing for ACO-based routing protocol for MULE-assisted WSNs. It is founded on the well known Ant Colony Optimization (ACO) technique. The main advantage of ACO is its natural fit to the decentralized nature of WSN, which allows it to perform distributed optimizations (based on local interactions) leading to remarkable overall network performance. ACME is able to assign sensor nodes to subsinks and generate the corresponding multi-hop paths while accounting for the minimization of the total path length, the total subsink imbalance and the total number of retransmissions. The problem is defined as a multi-objective optimization task which is resolved in a distributed manner based on actions of the sensor nodes acting in a collaborative scheme. We conduct a set of computational experiments in the discrete event simulator OMNeT++ which shows the advantages of our protocol in terms of performance and its ability to adapt to a variety of network topologie

A critical analysis of mobility management related issues of wireless sensor networks in cyber physical systems

Mobility management has been a long-standing issue in mobile wireless sensor networks and especially in the context of cyber physical systems; its implications are immense. This paper presents a critical analysis of the current approaches to mobility management by evaluating them against a set of criteria which are essentially inherent characteristics of such systems on which these approaches are expected to provide acceptable performance. We summarize these characteristics by using a quadruple set of metrics. Additionally, using this set we classify the various approaches to mobility management that are discussed in this paper. Finally, the paper concludes by reviewing the main findings and providing suggestions that will be helpful to guide future research efforts in the area

A critical analysis of mobility management related issues of wireless sensor networks in cyber physical systems

Mobility management has been a long-standing issue in mobile wireless sensor networks and especially in the context of cyber physical systems its implications are immense. This paper presents a critical analysis of the current approaches to mobility management by evaluating them against a set of criteria which are essentially inherent characteristics of such systems on which these approaches are expected to provide acceptable performance. We summarize these characteristics by using a quadruple set of metrics. Additionally, using this set we classify the various approaches to mobility management that are discussed in this paper. Finally, the paper concludes by reviewing the main findings and providing suggestions that will be helpful to guide future research efforts in the area. **Please note that there are multiple authors for this article therefore only the name of the first 5 including Federation University Australia affiliate “Muhammad Imran” is provided in this record*

Gestion de la qualité de service et planification optimale de réseaux de capteurs multimédia sans fil

RÉSUMÉ Un RCSF est constitué d'un certain nombre d'entités (capteurs) géographiquement dispersées, de taille réduite, avec une autonomie et une puissance de traitement réduites. Ces dispositifs sont utilisés pour réaliser, de manière indépendante, des tâches comme la surveillance, le contrôle de processus industriel, etc. Les avancées en microélectronique ont conduit à l'émergence des petites caméras (type CMOS) et microphones accessibles. Ces capteurs audio-visuels peuvent être intégrés dans un RCSF pour former des RCMSF. Dans certains types d'applications, comme la surveillance des frontières, un grand nombre de ce type de capteurs est susceptible d'être déployés, sur de vastes terrains. Un volume considérable de flux audio-visuel (en plus des données) doit être transmis au centre de contrôle (le collecteur, ou SINK) pour analyse et prise de décision. Il y a donc un besoin important en termes de bande passante, avec surtout une forte contrainte en termes de délai de transmission et d'autres paramètres de RCSF. Des solutions pour le routage d'information ont été développées pour des RCSF, mais ces protocoles n'ont pas pris en compte la génération à grande échelle des données multimédia, elles sont par conséquent inadaptées aux RCMSF. Les capteurs typiquement sont omnidirectionnels, c'est-à-dire qu'ils sont capables de capter des signaux qui proviennent de toutes les directions autour d'eux. Les capteurs multimédia, en particulier les capteurs de vidéo, sont de type directionnel. Pour ce type de capteurs, l'aire de captage est limitée à un secteur donné d'un plan tridimensionnel. Malheureusement, les modèles mathématiques développés pour le placement des RCMSF conventionnels ne peuvent pas être appliqués dans le cadre de la configuration et de la planification des réseaux de capteurs directionnels. De nouveaux modèles d'optimisation sont donc nécessaires pour la capture des principaux paramètres caractérisant les capteurs directionnels. Dans cette thèse, nous abordons donc les problèmes clés suivants: le routage des données hétérogènes (scalaires et multimédia) pour les nœuds d'un RCMSF afin d'assurer une meilleure QdS aux usagers; et le déploiement optimisé de capteurs directionnels d'un RCMSF dans un espace tridimensionnel dont le but est couvrir un ensemble de points d'intérêts définis dans tel espace. Notre thèse se compose de trois articles scientifiques, chacun traitant d'une problématique bien spécifique. Le premier article traite du problème du routage d'information pour les RCMSF basé sur la QdS. Nous proposons un nouveau protocole, AntSensNet, basé sur l'heuristique de la colonie de fourmis, qui utilise plusieurs métriques de QdS pour trouver de bonnes routes pour les données multimédia et l'information scalaire. Dans la pratique, le protocole établit d'abord une structure hiérarchique sur le réseau avant de choisir les chemins appropriés pour répondre aux diverses exigences de QdS des différents types de trafic qui circulent dans le réseau. Ceci permet de maximiser l'utilisation des ressources du réseau, tout en améliorant la performance de la transmission de l'information. En outre, AntSensNet est capable d'utiliser un mécanisme efficace d'ordonnancement de paquets et de multiples chemins afin d'obtenir la distorsion minimale au moment où une application fait la transmission de la vidéo dans le réseau. Dans le deuxième article nous continuons avec le sujet de la QdS dans le RCMSFs et, plus spécifiquement, nous abordons la problématique du contrôle d'admission pour ce type de réseau. Grâce au contrôle d'admission, il est possible de déterminer si un réseau est capable de supporter un nouveau flot de données. S'il n'y a pas de contrôle d'admission dans un RCMSF, le performance du réseau sera compromis car les ressources existantes dans le réseau ne seront pas assez pour tous les flots acceptés et cela entraînera beaucoup de problèmes comme la perte de paquets des flots. Nous proposons un nouveau schéma de contrôle d'admission de nouveaux flots multimédia pour un RCMSF. Le système proposé est en mesure de déterminer si un flot de données puisse être admis dans le réseau, compte tenu de l'état actuel des liaisons de communications et l'énergie des nœuds. La décision sur l'acceptation est prise de manière distribuée, sans utiliser une entité centrale. De plus, notre schéma se présente comme un plug-in, et est adaptable à d'éventuels protocoles de routage et MAC utilisés pour la transmission de données dans les RCMSF. Nos résultats de simulation montrent l'efficacité de notre approche pour répondre aux exigences de QdS des nouveaux flots de données. Finalement, notre troisième article traite du problème du déploiement optimal des capteurs multimédia dans un espace 3D. Tel que mentionné ci-dessus, la plupart des capteurs multimédia sont du type directionnel. De surcroît, ces capteurs sont plus coûteux et plus spécialisés que les capteurs scalaires. En conséquence, les déploiements aléatoires, qui sont typiques pour les capteurs scalaires, ne sont ni souhaitables ni adéquats pour les capteurs multimédia. A cet effet, nous proposons un modèle optimal de déploiement 3D de capteurs directionnels. Ce modèle vise à déterminer le nombre minimum de capteurs directionnels connectés, leur emplacement et leur configuration, qui sont nécessaires pour couvrir un ensemble de points de contrôle dans un espace 3D donné. La configuration de chaque capteur déployé est déterminée par trois paramètres : la plage de détection, le champ de vision (FoV) et l'orientation. Nous présentons une formulation « Integer Linear Programming » (ILP) pour trouver la solution exacte du problème et aussi, un algorithme glouton capable de trouver une solution approximative (mais efficace) du problème. Nous évaluons également différentes propriétés des solutions proposées par le biais de nombreuses simulations. Avec ces trois articles on a réussi à résoudre, d'une façon à la fois innovatrice et pratique, les problèmes de routage basé sur la QdS pour les RCMSF et le déploiement de capteurs directionnels, qui sont l'objectif principal de notre recherche.----------ABSTRACT A Wireless Sensor Network (WSN) consists of a set of embedded processing units, called sensors, communicating via wireless links, whose main function is the collection of parameters related to the surrounding environment, such as temperature, pressure or the presence/motion of objects. WSN are expected to have many applications in various fields, such as industrial processes, military surveillance, observation and monitoring of habitat, etc. The availability of inexpensive hardware such as CMOS cameras and microphones that are able to ubiquitously capture multimedia content from the environment has fostered the development of Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs), i.e., networks of wirelessly interconnected devices that allow retrieving video and audio streams, still images, and scalar sensor data. In addition to the ability to retrieve multimedia data, WMSNs will be able to store, process in real time, correlate and fuse multimedia data originated from heterogeneous sources, and perform actions on the environment based on the content gathered. Many applications require the sensor network paradigm to be rethought in view of the need for mechanisms to deliver multimedia content with a certain level of quality of service (QoS). Due to high bandwidth, processing and stringent Qos requirements existing solutions are not feasible for WMSNs. Since the need to minimize the energy consumption has driven most of the research in sensor networks so far, there is a need to create mechanisms to efficiently deliver application-level QoS, and to map these requirements to network-layer metrics such as latency or delay. Additionally, in WSNs, an omnidirectional sensing model is often assumed where each sensor can equally detect its environment in each direction. Instead, multimedia sensors, specially video sensor, are directional sensors. A directional sensor is characterized by its sensing region which can be viewed as a sector in a three-dimensional plane. Therefore, it can only choose one active sector (or direction) at any time instant. Unfortunately, the many methods developed for deploying traditional WSNs cannot directly be used for optimizing and configuring directional WMSNs due to the different parameters involved. Therefore, new optimization models which capture the primary parameters characterizing directional sensors are necessary. The issues aforementioned are crucial challenges for the development of WMSNs. In this thesis, we are interested in the following aspects: routing of heterogeneous data (scalar and multimedia) from the nodes of a WMSN to the sink in order to provide better QoS experience to users; and an optimized deployment of directional sensors of a WMSN in a three-dimensional surface with the objective to cover all the control points as defined in such a space. Our thesis runs through three scientific papers, each addressing a specific problem. In our first paper, we address the problem of data routing based on different QoS metrics in a WMSN. We propose a new protocol AntSensNet, based on the traditional ant-based algorithm. The AntSensNet protocol builds a hierarchical structure on the network before choosing suitable paths to meet various QoS requirements from different kinds of traffic, thus maximizing network utilization, while improving its performance. In addition, AntSensNet is able to use a efficient multipath video packet scheduling in order to get minimum video distortion transmission. In the second paper, we address the problem of connection admission control for WMSNs. With admission control, it is possible to determine whether a network is capable of supporting a new data stream. Without admission control in a WMSN, the network performance will be compromised because the existing resources within the network cannot be enough for all the flows accepted and this will cause many problems such as packet loss and congestion. Taking multiple parameters into account, we propose a novel connection admission control scheme for the multimedia traffic circulating in the network. The proposed scheme is able to determine if a new flow can be admitted in the network considering the current link states and the energy of the nodes. The decision about accepting is taken in a distributed way, without trusting in a central entity to take this decision. In addition, our scheme works like a plug-in, being easily adaptable to any routing and MAC protocols. Our simulation results show the effectiveness of our approach to satisfy QoS requirements of flows and achieve fair bandwidth utilization and low jitter. Finally, in the third paper, we address the problem of optimal deployment of directional sensors in a 3D space. We have already mentioned that conventional methods to deploy omnidirectional sensors are not suitable to deploy directional sensors. To remedy this deficiency, we propose a mathematical model which aims at to determine the minimum number of connected directional multimedia sensor nodes and their configuration, needed to cover a set of control points in a given 3D space. The configuration of each deployed sensor is determined by three parameters: sensing range, field of view and orientation. We present the exact ILP formulation for the problem and an approximate (but computationally efficient) greedy algorithm solution. We also evaluate different properties of the proposed solutions through extensive simulations. Overall, the proposed solutions in this thesis are both innovative and practical. With these three papers, we have been successfully resolved the problems of a QoS-based routing protocol for WMSN and an optimal deployment of directional sensors in a 3D space, which are the components of the main objective of this thesis

Bio-inspired optimization in integrated river basin management

Water resources worldwide are facing severe challenges in terms of quality and quantity. It is essential to conserve, manage, and optimize water resources and their quality through integrated water resources management (IWRM). IWRM is an interdisciplinary field that works on multiple levels to maximize the socio-economic and ecological benefits of water resources. Since this is directly influenced by the river’s ecological health, the point of interest should start at the basin-level. The main objective of this study is to evaluate the application of bio-inspired optimization techniques in integrated river basin management (IRBM). This study demonstrates the application of versatile, flexible and yet simple metaheuristic bio-inspired algorithms in IRBM. In a novel approach, bio-inspired optimization algorithms Ant Colony Optimization (ACO) and Particle Swarm Optimization (PSO) are used to spatially distribute mitigation measures within a basin to reduce long-term annual mean total nitrogen (TN) concentration at the outlet of the basin. The Upper Fuhse river basin developed in the hydrological model, Hydrological Predictions for the Environment (HYPE), is used as a case study. ACO and PSO are coupled with the HYPE model to distribute a set of measures and compute the resulting TN reduction. The algorithms spatially distribute nine crop and subbasin-level mitigation measures under four categories. Both algorithms can successfully yield a discrete combination of measures to reduce long-term annual mean TN concentration. They achieved an 18.65% reduction, and their performance was on par with each other. This study has established the applicability of these bio-inspired optimization algorithms in successfully distributing the TN mitigation measures within the river basin. Stakeholder involvement is a crucial aspect of IRBM. It ensures that researchers and policymakers are aware of the ground reality through large amounts of information collected from the stakeholder. Including stakeholders in policy planning and decision-making legitimizes the decisions and eases their implementation. Therefore, a socio-hydrological framework is developed and tested in the Larqui river basin, Chile, based on a field survey to explore the conditions under which the farmers would implement or extend the width of vegetative filter strips (VFS) to prevent soil erosion. The framework consists of a behavioral, social model (extended Theory of Planned Behavior, TPB) and an agent-based model (developed in NetLogo) coupled with the results from the vegetative filter model (Vegetative Filter Strip Modeling System, VFSMOD-W). The results showed that the ABM corroborates with the survey results and the farmers are willing to extend the width of VFS as long as their utility stays positive. This framework can be used to develop tailor-made policies for river basins based on the conditions of the river basins and the stakeholders' requirements to motivate them to adopt sustainable practices. It is vital to assess whether the proposed management plans achieve the expected results for the river basin and if the stakeholders will accept and implement them. The assessment via simulation tools ensures effective implementation and realization of the target stipulated by the decision-makers. In this regard, this dissertation introduces the application of bio-inspired optimization techniques in the field of IRBM. The successful discrete combinatorial optimization in terms of the spatial distribution of mitigation measures by ACO and PSO and the novel socio-hydrological framework using ABM prove the forte and diverse applicability of bio-inspired optimization algorithms

Cognitive Security Framework For Heterogeneous Sensor Network Using Swarm Intelligence

Rapid development of sensor technology has led to applications ranging from academic to military in a short time span. These tiny sensors are deployed in environments where security for data or hardware cannot be guaranteed. Due to resource constraints, traditional security schemes cannot be directly applied. Unfortunately, due to minimal or no communication security schemes, the data, link and the sensor node can be easily tampered by intruder attacks. This dissertation presents a security framework applied to a sensor network that can be managed by a cohesive sensor manager. A simple framework that can support security based on situation assessment is best suited for chaotic and harsh environments. The objective of this research is designing an evolutionary algorithm with controllable parameters to solve existing and new security threats in a heterogeneous communication network. An in-depth analysis of the different threats and the security measures applied considering the resource constrained network is explored. Any framework works best, if the correlated or orthogonal performance parameters are carefully considered based on system goals and functions. Hence, a trade-off between the different performance parameters based on weights from partially ordered sets is applied to satisfy application specific requirements and security measures. The proposed novel framework controls heterogeneous sensor network requirements,and balance the resources optimally and efficiently while communicating securely using a multi-objection function. In addition, the framework can measure the affect of single or combined denial of service attacks and also predict new attacks under both cooperative and non-cooperative sensor nodes. The cognitive intuition of the framework is evaluated under different simulated real time scenarios such as Health-care monitoring, Emergency Responder, VANET, Biometric security access system, and Battlefield monitoring. The proposed three-tiered Cognitive Security Framework is capable of performing situation assessment and performs the appropriate security measures to maintain reliability and security of the system. The first tier of the proposed framework, a crosslayer cognitive security protocol defends the communication link between nodes during denial-of-Service attacks by re-routing data through secure nodes. The cognitive nature of the protocol balances resources and security making optimal decisions to obtain reachable and reliable solutions. The versatility and robustness of the protocol is justified by the results obtained in simulating health-care and emergency responder applications under Sybil and Wormhole attacks. The protocol considers metrics from each layer of the network model to obtain an optimal and feasible resource efficient solution. In the second tier, the emergent behavior of the protocol is further extended to mine information from the nodes to defend the network against denial-of-service attack using Bayesian models. The jammer attack is considered the most vulnerable attack, and therefore simulated vehicular ad-hoc network is experimented with varied types of jammer. Classification of the jammer under various attack scenarios is formulated to predict the genuineness of the attacks on the sensor nodes using receiver operating characteristics. In addition to detecting the jammer attack, a simple technique of locating the jammer under cooperative nodes is implemented. This feature enables the network in isolating the jammer or the reputation of node is affected, thus removing the malicious node from participating in future routes. Finally, a intrusion detection system using `bait\u27 architecture is analyzed where resources is traded-off for the sake of security due to sensitivity of the application. The architecture strategically enables ant agents to detect and track the intruders threateningthe network. The proposed framework is evaluated based on accuracy and speed of intrusion detection before the network is compromised. This process of detecting the intrusion earlier helps learn future attacks, but also serves as a defense countermeasure. The simulated scenarios of this dissertation show that Cognitive Security Framework isbest suited for both homogeneous and heterogeneous sensor networks

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: vehicular ad-hoc networks, security and caching, TCP in ad-hoc networks and emerging applications. It is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks

Optimization Techniques for Automated Software Test Data Generation

Esta tesis propone una variedad de contribuciones al campo de pruebas evolutivas. Hemos abarcados un amplio rango de aspectos relativos a las pruebas de programas: código fuente procedimental y orientado a objetos, paradigmas estructural y funcional, problemas mono-objetivo y multi-objetivo, casos de prueba aislados y secuencias de pruebas, y trabajos teóricos y experimentales. En relación a los análisis llevados a cabo, hemos puesto énfasis en el análisis estadístico de los resultados para evaluar la significancia práctica de los resultados. En resumen, las principales contribuciones de la tesis son: Definición de una nueva medida de distancia para el operador instanceof en programas orientados a objetos: En este trabajo nos hemos centrado en un aspecto relacionado con el software orientado a objetos, la herencia, para proponer algunos enfoques que pueden ayudar a guiar la búsqueda de datos de prueba en el contexto de las pruebas evolutivas. En particular, hemos propuesto una medida de distancia para computar la distancia de ramas en presencia del operador instanceof en programas Java. También hemos propuesto dos operadores de mutación que modifican las soluciones candidatas basadas en la medida de distancia definida. Definición de una nueva medida de complejidad llamada ``Branch Coverage Expectation'': En este trabajo nos enfrentamos a la complejidad de pruebas desde un punto de vista original: un programa es más complejo si es más difícil de probar de forma automática. Consecuentemente, definimos la ``Branch Coverage Expectation'' para proporcionar conocimiento sobre la dificultad de probar programas. La fundación de esta medida se basa en el modelo de Markov del programa. El modelo de Markov proporciona fundamentos teóricos. El análisis de esta medida indica que está más correlacionada con la cobertura de rama que las otras medidas de código estáticas. Esto significa que esto es un buen modo de estimar la dificultad de probar un programa. Predicción teórica del número de casos de prueba necesarios para cubrir un porcentaje concreto de un programa: Nuestro modelo de Markov del programa puede ser usado para proporcionar una estimación del número de casos de prueba necesarios para cubrir un porcentaje concreto del programa. Hemos comparado nuestra predicción teórica con la media de las ejecuciones reales de un generador de datos de prueba. Este modelo puede ayudar a predecir la evolución de la fase de pruebas, la cual consecuentemente puede ahorrar tiempo y coste del proyecto completo. Esta predicción teórica podría ser también muy útil para determinar el porcentaje del programa cubierto dados un número de casos de prueba. Propuesta de enfoques para resolver el problema de generación de datos de prueba multi-objetivo: En ese capítulo estudiamos el problema de la generación multi-objetivo con el fin de analizar el rendimiento de un enfoque directo multi-objetivo frente a la aplicación de un algoritmo mono-objetivo seguido de una selección de casos de prueba. Hemos evaluado cuatro algoritmos multi-objetivo (MOCell, NSGA-II, SPEA2, y PAES) y dos algoritmos mono-objetivo (GA y ES), y dos algoritmos aleatorios. En términos de convergencia hacía el frente de Pareto óptimo, GA y MOCell han sido los mejores resolutores en nuestra comparación. Queremos destacar que el enfoque mono-objetivo, donde se ataca cada rama por separado, es más efectivo cuando el programa tiene un grado de anidamiento alto. Comparativa de diferentes estrategias de priorización en líneas de productos y árboles de clasificación: En el contexto de pruebas funcionales hemos tratado el tema de la priorización de casos de prueba con dos representaciones diferentes, modelos de características que representan líneas de productos software y árboles de clasificación. Hemos comparado cinco enfoques relativos al método de clasificación con árboles y dos relativos a líneas de productos, cuatro de ellos propuestos por nosotros. Los resultados nos indican que las propuestas para ambas representaciones basadas en un algoritmo genético son mejores que el resto en la mayoría de escenarios experimentales, es la mejor opción cuando tenemos restricciones de tiempo o coste. Definición de la extensión del método de clasificación con árbol para la generación de secuencias de pruebas: Hemos definido formalmente esta extensión para la generación de secuencias de pruebas que puede ser útil para la industria y para la comunidad investigadora. Sus beneficios son claros ya que indudablemente el coste de situar el artefacto bajo pruebas en el siguiente estado no es necesario, a la vez que reducimos significativamente el tamaño de la secuencia utilizando técnicas metaheurísticas. Particularmente nuestra propuesta basada en colonias de hormigas es el mejor algoritmo de la comparativa, siendo el único algoritmo que alcanza la cobertura máxima para todos los modelos y tipos de cobertura. Exploración del efecto de diferentes estrategias de seeding en el cálculo de frentes de Pareto óptimos en líneas de productos: Estudiamos el comportamiento de algoritmos clásicos multi-objetivo evolutivos aplicados a las pruebas por pares de líneas de productos. El grupo de algoritmos fue seleccionado para cubrir una amplia y diversa gama de técnicas. Nuestra evaluación indica claramente que las estrategias de seeding ayudan al proceso de búsqueda de forma determinante. Cuanta más información se disponga para crear esta población inicial, mejores serán los resultados obtenidos. Además, gracias al uso de técnicas multi-objetivo podemos proporcionar un conjunto de pruebas adecuado mayor o menor, en resumen, que mejor se adapte a sus restricciones económicas o tecnológicas. Propuesta de técnica exacta para la computación del frente de Pareto óptimo en líneas de productos software: Hemos propuesto un enfoque exacto para este cálculo en el caso multi-objetivo con cobertura paiwise. Definimos un programa lineal 0-1 y un algoritmo basado en resolutores SAT para obtener el frente de Pareto verdadero. La evaluación de los resultados nos indica que, a pesar de ser un fantástico método para el cálculo de soluciones óptimas, tiene el inconveniente de la escalabilidad, ya que para modelos grandes el tiempo de ejecución sube considerablemente. Tras realizar un estudio de correlaciones, confirmamos nuestras sospechas, existe una alta correlación entre el tiempo de ejecución y el número de productos denotado por el modelo de características del programa