On performance modeling of 3D mobile ad hoc networks

指導教員：姜 暁

Opportunistic Networks: Present Scenario- A Mirror Review

Opportunistic Network is form of Delay Tolerant Network (DTN) and regarded as extension to Mobile Ad Hoc Network. OPPNETS are designed to operate especially in those environments which are surrounded by various issues like- High Error Rate, Intermittent Connectivity, High Delay and no defined route between source to destination node. OPPNETS works on the principle of “Store-and-Forward” mechanism as intermediate nodes perform the task of routing from node to node. The intermediate nodes store the messages in their memory until the suitable node is not located in communication range to transfer the message to the destination. OPPNETs suffer from various issues like High Delay, Energy Efficiency of Nodes, Security, High Error Rate and High Latency. The aim of this research paper is to overview various routing protocols available till date for OPPNETs and classify the protocols in terms of their performance. The paper also gives quick review of various Mobility Models and Simulation tools available for OPPNETs simulation

Towards Trustworthy, Efficient and Scalable Distributed Wireless Systems

Advances in wireless technologies have enabled distributed mobile devices to connect with each other to form distributed wireless systems. Due to the absence of infrastructure, distributed wireless systems require node cooperation in multi-hop routing. However, the openness and decentralized nature of distributed wireless systems where each node labors under a resource constraint introduces three challenges: (1) cooperation incentives that effectively encourage nodes to offer services and thwart the intentions of selfish and malicious nodes, (2) cooperation incentives that are efficient to deploy, use and maintain, and (3) routing to efficiently deliver messages with less overhead and lower delay. While most previous cooperation incentive mechanisms rely on either a reputation system or a price system, neither provides sufficiently effective cooperation incentives nor efficient resource consumption. Also, previous routing algorithms are not sufficiently efficient in terms of routing overhead or delay. In this research, we propose mechanisms to improve the trustworthiness, scalability, and efficiency of the distributed wireless systems. Regarding trustworthiness, we study previous cooperation incentives based on game theory models. We then propose an integrated system that combines a reputation system and a price system to leverage the advantages of both methods to provide trustworthy services. Analytical and simulation results show higher performance for the integrated system compared to the other two systems in terms of the effectiveness of the cooperation incentives and detection of selfish nodes. Regarding scalability in a large-scale system, we propose a hierarchical Account-aided Reputation Management system (ARM) to efficiently and effectively provide cooperation incentives with small overhead. To globally collect all node reputation information to accurately calculate node reputation information and detect abnormal reputation information with low overhead, ARM builds a hierarchical locality-aware Distributed Hash Table (DHT) infrastructure for the efficient and integrated operation of both reputation systems and price systems. Based on the DHT infrastructure, ARM can reduce the reputation management overhead in reputation and price systems. We also design a distributed reputation manager auditing protocol to detect a malicious reputation manager. The experimental results show that ARM can detect the uncooperative nodes that gain fraudulent benefits while still being considered as trustworthy in previous reputation and price systems. Also, it can effectively identify misreported, falsified, and conspiratorial information, providing accurate node reputations that truly reflect node behaviors. Regarding an efficient distributed system, we propose a social network and duration utility-based distributed multi-copy routing protocol for delay tolerant networks based on the ARM system. The routing protocol fully exploits node movement patterns in the social network to increase delivery throughput and decrease delivery delay while generating low overhead. The simulation results show that the proposed routing protocol outperforms the epidemic routing and spray and wait routing in terms of higher message delivery throughput, lower message delivery delay, lower message delivery overhead, and higher packet delivery success rate. The three components proposed in this dissertation research improve the trustworthiness, scalability, and efficiency of distributed wireless systems to meet the requirements of diversified distributed wireless applications

Towards video streaming in IoT environments: vehicular communication perspective

Multimedia oriented Internet of Things (IoT) enables pervasive and real-time communication of video, audio and image data among devices in an immediate surroundings. Today's vehicles have the capability of supporting real time multimedia acquisition. Vehicles with high illuminating infrared cameras and customized sensors can communicate with other on-road devices using dedicated short-range communication (DSRC) and 5G enabled communication technologies. Real time incidence of both urban and highway vehicular traffic environment can be captured and transmitted using vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communication modes. Video streaming in vehicular IoT (VSV-IoT) environments is in growing stage with several challenges that need to be addressed ranging from limited resources in IoT devices, intermittent connection in vehicular networks, heterogeneous devices, dynamism and scalability in video encoding, bandwidth underutilization in video delivery, and attaining application-precise quality of service in video streaming. In this context, this paper presents a comprehensive review on video streaming in IoT environments focusing on vehicular communication perspective. Specifically, significance of video streaming in vehicular IoT environments is highlighted focusing on integration of vehicular communication with 5G enabled IoT technologies, and smart city oriented application areas for VSV-IoT. A taxonomy is presented for the classification of related literature on video streaming in vehicular network environments. Following the taxonomy, critical review of literature is performed focusing on major functional model, strengths and weaknesses. Metrics for video streaming in vehicular IoT environments are derived and comparatively analyzed in terms of their usage and evaluation capabilities. Open research challenges in VSV-IoT are identified as future directions of research in the area. The survey would benefit both IoT and vehicle industry practitioners and researchers, in terms of augmenting understanding of vehicular video streaming and its IoT related trends and issues

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

The Impact of Rogue Nodes on the Dependability of Opportunistic Networks

Opportunistic Networks (OppNets) are an extension to the classical Mobile Ad hoc Networks (MANETs) where the network is not dependent on any infrastructure (e.g. Access Points or centralized administrative nodes). OppNets can be more flexible than MANETs because an end to end path does not exist and much longer delays can be expected. Whereas a Rogue Access Point is typically immobile in the legacy infrastructure based networks and can have considerable impact on the overall connectivity, the research question in this project evaluates how the pattern and mobility of a rogue nodes impact the dependability and overall "Average Latency" in an Opportunistic Network Environment. We have simulated a subset of the mathematical modeling performed in a previous publication in this regard. Ad hoc networks are very challenging to model due to their mobility and intricate routing schemes. We strategically started our research by exploring the evolution of Opportunistic networks, and then implemented the rogue behavior by utilizing The ONE (Opportunistic Network Environment, by Nokia Research Centre) simulator to carry out our research over rogue behavior. The ONE simulator is an open source simulator developed in Java, simulating the layer 3 of the OSI model. The Rogue behavior is implemented in the simulator to observe the effect of rogue nodes. Finally we extracted the desired dataset to measure the latency by carefully simulating the intended behavior, keeping rest of the parameters (e.g. Node Movement Models, Signal Range and Strength, Point of Interest (POI) etc) unchanged. Our results are encouraging, and coincide with the average latency deterioration patterns as modeled by the previous researchers, with a few exceptions. The practical implementation of plug-in in ONE simulator has shown that only a very high degree of rogue nodes impact the latency, making OppNets more resilient and less vulnerable to malicious attacks

Network coding for wireless communication networks

This special issue includes a collection of 19 outstanding research papers which cover a diversity of topics on the application of network coding in wireless communication networks.published_or_final_versio