Reliable Broadcasting in VANET

Vehicular Adhoc NETwork (VANET) is a rapid growing wireless ad-hoc network model where the vehicles play the nodes role in a network. Major application of VANET including hazard warning application requires effective broadcast mechanism. Typically, selection of the next relaying hop is the major problem in VANET broadcasting. To get the smallest propagational delay, the number of relaying hops must be minimize. Meanwhile, the transmission reliability must also be preserved. Both of these two constrains must be taken into consideration. However, these two aspects often collide to each other since increasing one of them always result in decreasing of another. In this paper, I will suggest a new protocol that can satisfy great reliability without sacrificing message propagational speed. The protocol is based on RTB/CTB [1] scheme which guarantees the successful reception of a report broadcasting. However, unlike the original RTB/CTB approach where the process is slow, the proposed scheme can work much faster, yet providing broadcasting reliability due to many enhancements added in the design such as fixed short length jamming duration, non-CTB iteration, non-wasting contention slot and protocol messages reduction. As we could observed from the simulation result that the proposed protocol performed better in term of bytes usage, reliability and propagational time when compared with Slotted p persistence and RTB/CT

Situational Awareness Enhancement for Connected and Automated Vehicle Systems

Recent developments in the area of Connected and Automated Vehicles (CAVs) have boosted the interest in Intelligent Transportation Systems (ITSs). While ITS is intended to resolve and mitigate serious traffic issues such as passenger and pedestrian fatalities, accidents, and traffic congestion; these goals are only achievable by vehicles that are fully aware of their situation and surroundings in real-time. Therefore, connected and automated vehicle systems heavily rely on communication technologies to create a real-time map of their surrounding environment and extend their range of situational awareness. In this dissertation, we propose novel approaches to enhance situational awareness, its applications, and effective sharing of information among vehicles.;The communication technology for CAVs is known as vehicle-to-everything (V2x) communication, in which vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) have been targeted for the first round of deployment based on dedicated short-range communication (DSRC) devices for vehicles and road-side transportation infrastructures. Wireless communication among these entities creates self-organizing networks, known as Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs). Due to the mobile, rapidly changing, and intrinsically error-prone nature of VANETs, traditional network architectures are generally unsatisfactory to address VANETs fundamental performance requirements. Therefore, we first investigate imperfections of the vehicular communication channel and propose a new modeling scheme for large-scale and small-scale components of the communication channel in dense vehicular networks. Subsequently, we introduce an innovative method for a joint modeling of the situational awareness and networking components of CAVs in a single framework. Based on these two models, we propose a novel network-aware broadcast protocol for fast broadcasting of information over multiple hops to extend the range of situational awareness. Afterward, motivated by the most common and injury-prone pedestrian crash scenarios, we extend our work by proposing an end-to-end Vehicle-to-Pedestrian (V2P) framework to provide situational awareness and hazard detection for vulnerable road users. Finally, as humans are the most spontaneous and influential entity for transportation systems, we design a learning-based driver behavior model and integrate it into our situational awareness component. Consequently, higher accuracy of situational awareness and overall system performance are achieved by exchange of more useful information

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

Application of Machine Learning Techniques to Delay Tolerant Network Routing

This dissertation discusses several machine learning techniques to improve routing in delay tolerant networks (DTNs). These are networks in which there may be long one-way trip times, asymmetric links, high error rates, and deterministic as well as non-deterministic loss of contact between network nodes, such as interplanetary satellite networks, mobile ad hoc networks and wireless sensor networks. This work uses historical network statistics to train a multi-label classifier to predict reliable paths through the network. In addition, a clustering technique is used to predict future mobile node locations. Both of these techniques are used to reduce the consumption of resources such as network bandwidth, memory and data storage that is required by replication routing methods often used in opportunistic DTN environments. Thesis contributions include: an emulation tool chain developed to create a DTN test bed for machine learning, the network and software architecture for a machine learning based routing method, the development and implementation of classification and clustering techniques and performance evaluation in terms of machine learning and routing metrics

The Farther Relay and Oracle for VANET. Preliminary Results

We present a distributed algorithm to fast multi-hop message propagation for ad hoc vehicular networks (VANET). Our protocol obtains optimal performances in challenging scenarios which are likely in real situations, but that have been not extensively studied in the literature as they are complex to be tackled. In particular, the Farther Relay and Oracle for VANET (FROV) deals with asymmetric communications and varying transmission ranges. Even in this case, FROV broadcast any application message with the minimal number of hops. Moreover, FROV is both scalable with respect to the number of participating vehicles, and tolerant to faults and changes of membership of the platoon, vehicles that leave or join it. At the current state of development, our protocol is optimal in the case of unidimensional roads and we are studying its extension to a web of urban roads. This paper presents the preliminary results of simulations carried out to verify the main characteristics of FRO

VANETS without Limitations: An Optimal Distributed Algorithm for Multi-Hop Communications and Some Preliminary Results

We present a distributed algorithm to fast multi-hop message propagation for ad hoc vehicular networks (VANET). Our protocol obtains optimal performances in challenging scenarios which are likely in real situations, but that have been not extensively studied in the literature as they are complex to be tackled. In particular, the Farther Relay and Oracle for VANET (FROV) deals with asymmetric communications and varying transmission ranges. Even in this case, FROV broadcast any application message with the minimal number of hops. Moreover, FROV is both scalable with respect to the number of participating vehicles, and tolerant to faults and changes of membership of the platoon, vehicles that leave or join it. At the current state of development, our protocol is optimal in the case of unidimensional roads and we are studying its extension to a web of urban roads. This paper presents the preliminary results of simulations carried out to verify the main characteristics of FRO