An Energy Efficient Simultaneous-Node Repositioning Algorithm for Mobile Sensor Networks

Recently, wireless sensor network (WSN) applications have seen an increase in interest. In search and rescue, battlefield reconnaissance, and some other such applications, so that a survey of the area of interest can be made collectively, a set of mobile nodes is deployed. Keeping the network nodes connected is vital for WSNs to be effective. The provision of connectivity can be made at the time of startup and can be maintained by carefully coordinating the nodes when they move. However, if a node suddenly fails, the network could be partitioned to cause communication problems. Recently, several methods that use the relocation of nodes for connectivity restoration have been proposed. However, these methods have the tendency to not consider the potential coverage loss in some locations. This paper addresses the concerns of both connectivity and coverage in an integrated way so that this gap can be filled. A novel algorithm for simultaneous-node repositioning is introduced. In this approach, each neighbour of the failed node, one by one, moves in for a certain amount of time to take the place of the failed node, after which it returns to its original location in the network. The effectiveness of this algorithm has been verified by the simulation results

Data delivery in fragmented wireless sensor networks using mobile agents

In the past few years, research in Wireless Sensor Networks (WSN) has grown at an unprecented rate. This is due to the large number of potential applications and environments WSNs can be used in. Nodes in WSNs communicate in multihop fashion to deliver the sensory information to a central processing unit, such as a base station or a sink node. This form of communication requires a degree of network connectivity which might not be always achievable, either due to the sensor deployment strategy, or due to sensor node failure, which can be malicious, or otherwise. In this thesis, we study the problem of data delivery in disconnected WSNs. A special class of disconnected sensor networks called Fragmented wireless sensor networks (FWSN) is considered. A FWSN consists of several groups of connected sensor nodes that we call fragments . We propose a mobility based approach that exploits resource rich, in terms of power and buffer size, mobile agents that move in the network and operate as data relays between fragments to eventually deliver data to the base station. The movement of the mobile nodes and their role as relay stations is modeled using a closed queueing network approach, which is used to obtain steady state results. Building on these results, we derive the distributions of the fragment-to-fragment and fragment-to-sink delays. The results show that this model accurately captures the system behavior. Using the same model, the effect of the movement policy, the number and speed of mobile relays, and the service time at each fragment on the end-to-end delay has also been studied. The proposed queueing model can also be used to model other roles of the mobile nodes, including their roles as either data collectors or data sinks. We also study some practical issues, including mobility control in large networks and engineering the service time, i.e., the time that an MR spend in relaying data between fragments

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

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: quality-of-service and video communication, routing protocol and cross-layer design. A few interesting problems about security and delay-tolerant networks are also discussed. This book is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks

Objektu monitorings ar zema enerģijas patēriņa iegultām iekārtām un heterogēniem bezvadu sensoru tīkliem

Elektroniskā versija nesatur pielikumusBezvadu sensoru tīkli ir kļuvuši par neatņemamu daļu no visuresošās skaitļošanas (Ubiquitous Computing) un lietu interneta (Internet of Things). Darba ietvaros izstrādāta un aprakstīta vispārīgā metode iegulto sensoro iekārtu izveidei, kuru pielietojot, iespējams radīt rīkus objektu monitoringam un datu ievākšanai, kas, savukārt, izmanto zema enerģijas patēriņa iegultas sensorās iekārtas un heterogēnus bezvadu sensoru tīklus. Darba gaitā izstrādātā metode pielietota, lai radītu rīku kopumu, kas piemēroti savvaļas dzīvnieku, piemēram, Eirāzijas lūšu (Lynx lynx) vai Eirāzijas pelēko vilku (Canis lupus lupus) monitoringam un aktivitāšu noteikšanai. Darbā izvirzītā hipotēze arī aprobēta un iegūtie rezultāti apkopoti, pielietojot radītos rīkus auto orientēšanās pasākumu dalībnieku izsekošanai. Daļa no darba rezultātiem tiek pielietoti datu ieguvei un apmaiņai, veicot apvidus izpēti pirms saules un vēja enerģijas ieguves iekārtu uzstādīšanas. Darbā sasniegtie rezultāti, radot dažāda pielietojuma iegultās sensorās iekārtas balstoties uz piedāvāto vispārīgo metodi, pierāda, ka tā ir pielietojama. Atslēgas vārdi Bezvadu sensoru tīkli, objektu monitorings, savvaļas dzīvnieki, komunikācija tīklā, pret aizturēm noturīga datu pārraide.Wireless sensor networks have become an integral part of the ubiquitous computing and the Internet of Things. During research has been developed and descrobed general method for creating embedded sensor equipment. By applying in one can create tools for object monitoring and data collection using low-power embedded sensor equipment and heterogeneous wireless sensor networks. In the course of work the method was applied to create the tool package suitable for monitoring and determination of activities of wild animals, i.e. Eurasian lynxes (Lynx lynx) or Eurasian grey wolves (Canis lupus lupus). Some of works hypotheses are evaluated and results are categorized by applying them to track participants of car orienteering events. As well some assumptions of research are evaluated based on data collection and exchange in monitoring of sites of future renewable energy plants. The results achieved by creating various usage embedded sensor devices shows that genral method described in thesis is applicable. Keywords: Wireless Sensor Networks, Object Monitoring, Wilds Animals, Network Communication, Delay and Disruption Tolerant Networking

Approaching algorithmic power

Contemporary power manifests in the algorithmic. Emerging quite recently as an object of study within media and communications, cultural research, gender and race studies, and urban geography, the algorithm often seems ungraspable. Framed as code, it becomes proprietary property, black-boxed and inaccessible. Framed as a totality, its becomes overwhelmingly complex, incomprehensible in its operations. Framed as a procedure, it becomes a technique to be optimised, bracketing out the political. In struggling to adequately grasp the algorithmic as an object of study, to unravel its mechanisms and materialities, these framings offer limited insight into how algorithmic power is initiated and maintained. This thesis instead argues for an alternative approach: firstly, that the algorithmic is coordinated by a coherent internal logic, a knowledge-structure that understands the world in particular ways; second, that the algorithmic is enacted through control, a material and therefore observable performance which purposively influences people and things towards a predetermined outcome; and third, that this complex totality of architectures and operations can be productively analysed as strategic sociotechnical clusters of machines. This method of inquiry is developed with and tested against four contemporary examples: Uber, Airbnb, Amazon Alexa, and Palantir Gotham. Highly profitable, widely adopted and globally operational, they exemplify the algorithmic shift from whiteboard to world. But if the world is productive, it is also precarious, consisting of frictional spaces and antagonistic subjects. Force cannot be assumed as unilinear, but is incessantly negotiated—operations of parsing data and processing tasks forming broader operations that strive to establish subjectivities and shape relations. These negotiations can fail, destabilised by inadequate logics and weak control. A more generic understanding of logic and control enables a historiography of the algorithmic. The ability to index information, to structure the flow of labor, to exert force over subjects and spaces— these did not emerge with the microchip and the mainframe, but are part of a longer lineage of calculation. Two moments from this lineage are examined: house-numbering in the Habsburg Empire and punch-card machines in the Third Reich. Rather than revolutionary, this genealogy suggests an evolutionary process, albeit uneven, linking the computation of past and present. The thesis makes a methodological contribution to the nascent field of algorithmic studies. But more importantly, it renders algorithmic power more intelligible as a material force. Structured and implemented in particular ways, the design of logic and control construct different versions, or modalities, of algorithmic power. This power is political, it calibrates subjectivities towards certain ends, it prioritises space in specific ways, and it privileges particular practices whilst suppressing others. In apprehending operational logics, the practice of method thus foregrounds the sociopolitical dimensions of algorithmic power. As the algorithmic increasingly infiltrates into and governs the everyday, the ability to understand, critique, and intervene in this new field of power becomes more urgent