Novel multicast protocols in ad-hoc networks

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

An Effective Path Protection Method to Attain the Route Stability in MANET

With the increasing popularity of wireless network and its application, mobile ad-hoc networks (MANETS) emerged recently. MANET topology is highly dynamic in nature and nodes are highly mobile so that the rate of link failure is more in MANET. There is no central control over the nodes and the control is distributed among nodes and they can act as either router or source. MANTEs have been considered as isolated stand-alone network. Node can add or remove at any time and it is not infrastructure dependent. So at any time at any where the network can setup and a trouble free communication is possible. Due to more chances of link failures, collisions and transmission errors in MANET, the maintenance of network became costly. As per the study more frequent link failures became an important aspect of diminishing the performance of the network and also it is not predictable. The main objective of this paper is to study the route instability in AODV protocol and suggest a solution for improvement. This paper proposes a new approach to reduce the route failure by storing the alternate route in the intermediate nodes. In this algorithm intermediate nodes are also involved in the route discovery process. This reduces the route establishment overhead as well as the time to find the reroute when a link failure occurs.

Performance evaluation of routing protocols for MANETs with known connectivity patterns using evolving graphs

The assessment of routing protocols for mobile wireless networks is a difficult task, because of the networks` dynamic behavior and the absence of benchmarks. However, some of these networks, such as intermittent wireless sensors networks, periodic or cyclic networks, and some delay tolerant networks (DTNs), have more predictable dynamics, as the temporal variations in the network topology can be considered as deterministic, which may make them easier to study. Recently, a graph theoretic model-the evolving graphs-was proposed to help capture the dynamic behavior of such networks, in view of the construction of least cost routing and other algorithms. The algorithms and insights obtained through this model are theoretically very efficient and intriguing. However, there is no study about the use of such theoretical results into practical situations. Therefore, the objective of our work is to analyze the applicability of the evolving graph theory in the construction of efficient routing protocols in realistic scenarios. In this paper, we use the NS2 network simulator to first implement an evolving graph based routing protocol, and then to use it as a benchmark when comparing the four major ad hoc routing protocols (AODV, DSR, OLSR and DSDV). Interestingly, our experiments show that evolving graphs have the potential to be an effective and powerful tool in the development and analysis of algorithms for dynamic networks, with predictable dynamics at least. In order to make this model widely applicable, however, some practical issues still have to be addressed and incorporated into the model, like adaptive algorithms. We also discuss such issues in this paper, as a result of our experience.

Roteamento multicamada baseado em eficiência energética e qualidade de enlace para redes de sensores sem fio

A pesquisa apresentada nesta dissertação descreve a elaboração de um protocolo de roteamento para aplicações de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) em cidade inteligentes com forte restrição de energia e alta densidade de nodos. Através do estudo dos principais objetivos da comunicação de dados e do levantamento do estado-da-arte sobre os protocolos de roteamento e tecnologias para RSSF, a proposta contempla requisitos como: vazão de dados, confiabilidade de entrega e eficiência energética. A pesquisa apresenta em detalhes o protocolo AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), bem como sua relevância no contexto de RSSF devido a sua popularidade entre as plataformas de dispositivos comercializados. Além disso, são apresentados protocolos derivados do AODV, e a ausência de uma proposta robusta capaz de contemplar os requisitos levantados. O protocolo REL (Routing by Energy and Link Quality) é o resultado da pesquisa levantada e a proposta de solução para roteamento plano sob demanda baseado em eficiência energética e qualidade de enlace para prover um roteamento escalável, capaz de realizar balanceamento de carga e prolongar o tempo de vida da rede. O protocolo REL foi avaliado através de simulação e tesbed, a fim de garantir validação da proposta em ambiente real de escala reduzida e simulado de alta densidade. Os resultados mostraram que o protocolo REL apresenta considerável melhoria de entrega de dados através da escolha de enlaces confiáveis de transmissão e menos suscetíveis a erro, além de moderado consumo de energia capaz de prolongar o tempo de vida da rede, evitando a saturação prematura de nodos.

Otimização de cobertura, consumo de energia, roteamento e agregação de dados em rede de sensores sem fio utilizando algoritmos genéticos e lógica fuzzy

As Redes de Sensores Sem Fio possuem capacidades limitadas de processamento, armazenamento, comunicação (largura de banda) e fonte de energia, além de possuírem características e requisitos básicos de uma RSSF como: necessidade de se auto-organizar, comunicação com difusão de curto alcance e roteamento com múltiplos saltos. Neste trabalho é proposto uma ferramenta que otimize o posicionamento e os pacotes entregues através do uso de Algoritmo Genético (AG). Para solucionar o problema de roteamento que melhore o consumo de energia e maximize a agregação de dados é proposto a utilização de lógica fuzzy no protocolo de roteamento Ad hoc Ondemand Distance Vector (AODV). Esta customização é intitulada AODV – Fuzzy for Wireless Sensor Networks (AODV-FWSN). Os resultados mostram que a solução proposta é eficiente e consegue prolongar a vida útil da RSSF e melhorar a taxa de entrega de dados quando comparado com soluções similares.

Organization model for mobile wireless sensor networks inspired in artificial bee colony

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Contribución a los modelos de gestión de las redes móviles ad hoc

La capacidad de comunicación de los seres humanos ha crecido gracias a la evolución de dispositivos móviles cada vez más pequeños, manejables, potentes, de mayor autonomía y más asequibles. Esta tendencia muestra que en un futuro próximo cercano cada persona llevaría consigo por lo menos un dispositivo de altas prestaciones. Estos dispositivos tienen incorporados algunas formas de comunicación: red de telefonía, redes inalámbricas, bluetooth, entre otras. Lo que les permite también ser empleados para la configuración de redes móviles Ad Hoc. Las redes móviles Ad Hoc, son redes temporales y autoconfigurables, no necesitan un punto de acceso para que los nodos intercambien información entre sí. Cada nodo realiza las tareas de encaminador cuando sea requerido. Los nodos se pueden mover, cambiando de ubicación a discreción. La autonomía de estos dispositivos depende de las estrategias de como sus recursos son utilizados. De tal forma que los protocolos, algoritmos o modelos deben ser diseñados de forma eficiente para no impactar el rendimiento del dispositivo, siempre buscando un equilibrio entre sobrecarga y usabilidad. Es importante definir una gestión adecuada de estas redes especialmente cuando estén siendo utilizados en escenarios críticos como los de emergencias, desastres naturales, conflictos bélicos. La presente tesis doctoral muestra una solución eficiente para la gestión de redes móviles Ad Hoc. La solución contempla dos componentes principales: la definición de un modelo de gestión para redes móviles de alta disponibilidad y la creación de un protocolo de enrutamiento jerárquico asociado al modelo. El modelo de gestión propuesto, denominado High Availability Management Ad Hoc Network (HAMAN), es definido en una estructura de cuatro niveles, acceso, distribución, inteligencia e infraestructura. Además se describen los componentes de cada nivel: tipos de nodos, protocolos y funcionamiento. Se estudian también las interfaces de comunicación entre cada componente y la relación de estas con los niveles definidos. Como parte del modelo se diseña el protocolo de enrutamiento Ad Hoc, denominado Backup Cluster Head Protocol (BCHP), que utiliza como estrategia de encaminamiento el empleo de cluster y jerarquías. Cada cluster tiene un Jefe de Cluster que concentra la información de enrutamiento y de gestión y la envía al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para mejorar la disponibilidad de la red el protocolo utiliza un Jefe de Cluster de Respaldo el que asume las funciones del nodo principal del cluster cuando este tiene un problema. El modelo HAMAN es validado a través de un proceso la simulación del protocolo BCHP. El protocolo BCHP se implementa en la herramienta Network Simulator 2 (NS2) para ser simulado, comparado y contrastado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con el protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). Abstract The communication skills of humans has grown thanks to the evolution of mobile devices become smaller, manageable, powerful, more autonomy and more affordable. This trend shows that in the near future each person will carry at least one high-performance device. These high-performance devices have some forms of communication incorporated: telephony network, wireless networks, bluetooth, among others. What can also be used for configuring mobile Ad Hoc networks. Ad Hoc mobile networks, are temporary and self-configuring networks, do not need an access point for exchange information between their nodes. Each node performs the router tasks as required. The nodes can move, change location at will. The autonomy of these devices depends on the strategies of how its resources are used. So that the protocols, algorithms or models should be designed to efficiently without impacting device performance seeking a balance between overhead and usability. It is important to define appropriate management of these networks, especially when being used in critical scenarios such as emergencies, natural disasters, wars. The present research shows an efficient solution for managing mobile ad hoc networks. The solution comprises two main components: the definition of a management model for highly available mobile networks and the creation of a hierarchical routing protocol associated with the model. The proposed management model, called High Availability Management Ad Hoc Network (HAMAN) is defined in a four-level structure: access, distribution, intelligence and infrastructure. The components of each level: types of nodes, protocols, structure of a node are shown and detailed. It also explores the communication interfaces between each component and the relationship of these with the levels defined. The Ad Hoc routing protocol proposed, called Backup Cluster Head Protocol( BCHP), use of cluster and hierarchies like strategies. Each cluster has a cluster head which concentrates the routing information and management and sent to the destination when out of cluster coverage area. To improve the availability of the network protocol uses a Backup Cluster Head who assumes the functions of the node of the cluster when it has a problem. The HAMAN model is validated accross the simulation of their BCHP routing protocol. BCHP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2) to be simulated, compared and contrasted with a hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and a routing protocol called Reactive Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV).

Improving availability of mobile networks using a cluster routing protocol with redundant cluster head

We show a cluster based routing protocol in order to improve the convergence of the clusters and of the network it is proposed to use a backup cluster head. The use of a event discrete simulator is used for the implementation and the simulation of a hierarchical routing protocol called the Backup Cluster Head Protocol (BCHP). Finally it is shown that the BCHP protocol improves the convergence and availability of the network through a comparative analysis with the Ad Hoc On Demand Distance Vector (AODV)[1] routing protocol and Cluster Based Routing Protocol (CBRP)[2]

Simulation Tool and Case Study for Planning Wireless Sensor Network

In this paper, a simulation tool for assisting the deployment of wireless sensor network is introduced and simulation results are verified under a specific indoor environment. The simulation tool supports two modes: deterministic mode and stochastic mode. The deterministic mode is environment dependent in which the information of environment should be provided beforehand. Ray tracing method and deterministic propagation model are employed in order to increase the accuracy of the estimated coverage, connectivity and routing; the stochastic mode is useful for large scale random deployment without previous knowledge on geographic information. Dynamic Source Routing protocol (DSR) and Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing protocol (AODV) are implemented in order to calculate the topology of WSN. Hence this tool gives direct view on the performance of WSN and assists users in finding the potential problems of wireless sensor network before real deployment. At the end, a case study is realized in Centro de Electronica Industrial (CEI), the simulation results on coverage, connectivity and routing are verified by the measurement.

Desarrollo de aplicaciones de comunicaciones inalámbricas en sistemas de monitorización estructural desarrollados en aeronáutica.

Los Sistemas de SHM o de monitorización de la integridad estructural surgen ante la necesidad de mejorar los métodos de evaluación y de test no destructivos convencionales. De esta manera, se puede tener controlado todo tipo de estructuras en las cuales su correcto estado o funcionamiento suponga un factor crítico. Un Sistema SHM permite analizar una estructura concreta capturando de manera periódica el estado de la integridad estructural, que en este proyecto se ha aplicado a estructuras aeronáuticas. P.A.M.E.L.A. (Phase Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) es la denominación utilizada para definir una serie de equipos electrónicos para Sistemas SHM desarrollados por AERNOVA y los Grupos de Diseño Electrónico de las universidades UPV/EHU y UPM. Los dispositivos P.A.M.E.L.A. originalmente no cuentan con tecnología Wi-Fi, por lo que incorporan un módulo hardware independiente que se encarga de las comunicaciones inalámbricas, a los que se les denomina Nodos. Estos Nodos poseen un Sistema Operativo propio y todo lo necesario para administrar y organizar la red Mallada Wi-Fi. De esta manera se obtiene una red mallada inalámbrica compuesta por Nodos que interconectan los Sistemas SHM y que se encargan de transmitir los datos a los equipos que procesan los resultados adquiridos por P.A.M.E.L.A. Los Nodos son dispositivos empotrados que llevan instalados un firmware basado en una distribución de Linux para Nodos (o Routers), llamado Openwrt. Que para disponer de una red mallada necesitan de un protocolo orientado a este tipo de redes. Entre las opciones de protocolo más destacadas se puede mencionar: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), OLSR (Optimized Link State Routing), B.A.T.M.A.N-Adv (Better Approach To Mobile Adhoc Networking Advance), BMX (una versión de B.A.T.M.A.N-Adv), AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) y el DSR (Dynamic Source Routing). Además de la existencia de protocolos orientados a las redes malladas, también hay organizaciones que se dedican a desarrollar firmware que los utilizan, como es el caso del firmware llamado Nightwing que utiliza BMX, Freifunk que utiliza OLSR o Potato Mesh que utiliza B.A.T.M.A.N-Adv. La ventaja de estos tres firmwares mencionados es que las agrupaciones que las desarrollan proporcionan las imágenes precompiladas del sistema,listas para cargarlas en distintos modelos de Nodos. En este proyecto se han instalado las imágenes en los Nodos y se han probado los protocolos BMX, OLSR y B.A.T.M.A.N.-Adv. Concluyendo que la red gestionada por B.A.T.M.A.N.-Adv era la que mejor rendimiento obtenía en cuanto a estabilidad y ancho de banda. Después de haber definido el protocolo a usar, se procedió a desarrollar una distribución basada en Openwrt, que utilice B.A.T.M.A.N.-Adv para crear la red mallada, pero que se ajuste mejor a las necesidades del proyecto, ya que Nightwing, Freifunk y Potato Mesh no lo hacían. Además se implementan aplicaciones en lenguaje ANSI C y en LabVIEW para interactuar con los Nodos y los Sistemas SHM. También se procede a hacer alguna modificación en el Hardware de P.A.M.E.L.A. y del Nodo para obtener una mejor integración entre los dos dispositivos. Y por ultimo, se prueba la transferencia de datos de los Nodos en distintos escenarios. ABSTRACT. Structural Health Monitoring (SHM) systems arise from the need of improving assessment methods and conventional nondestructive tests. Critical structures can be monitored using SHM. A SHM system analyzes periodically a specific structure capturing the state of structural integrity. The aim of this project is to contribute in the implementation of Mesh network for SHM system in aircraft structures. P.A.M.E.L.A. (Phase Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) is the name for electronic equipment developed by AERNOVA, the Electronic Design Groups of university UPV/EHU and the Instrumentation and Applied Acoustics research group from UPM. P.A.M.E.L.A. devices were not originally equipped with Wi-Fi interface. In this project a separate hardware module that handles wireless communications (nodes) has been added. The nodes include an operating system for manage the Wi-Fi Mesh Network and they form the wireless mesh network to link SHM systems with monitoring equipment. Nodes are embedded devices with an installed firmware based on special Linux distribution used in routers or nodes, called OpenWRT. They need a Mesh Protocol to stablish the network. The most common protocols options are: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), OLSR (Optimized Link State Routing), BATMAN-Adv (Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking Advance), BMX (a version of BATMAN-Adv) AODV (Ad hoc on-Demand Distance Vector) and DSR (Dynamic Source Routing). In addition, there are organizations that are dedicated to develope firmware using these Mesh Protocols, for instance: Nightwing uses BMX, Freifunk use OLSR and Potato Mesh uses BATMAN-Adv. The advantage of these three firmwares is that these groups develop pre-compiled images of the system ready to be loaded in several models of Nodes. In this project the images were installed in the nodes. In this way, BMX, OLSR and BATMAN-Adv have been tested. We conclude that the protocol BATMAN-Adv has better performance in terms of stability and bandwidth. After choosing the protocol, the objective was to develop a distribution based on OpenWRT, using BATMAN-Adv to create the mesh network. This distribution is fitted to the requirements of this project. Besides, in this project it has been developed applications in C language and LabVIEW to interact with the Nodes and the SHM systems. The project also address some modifications to the PAMELA hardware and the Node, for better integration between both elements. Finally, data transfer tests among the different nodes in different scenarios has been carried out.

Un modelo de encaminamiento en las redes móviles ad hoc con QoS

En la última década ha aumentado en gran medida el interés por las redes móviles Ad Hoc. La naturaleza dinámica y sin infraestructura de estas redes, exige un nuevo conjunto de algoritmos y estrategias para proporcionar un servicio de comunicación fiable extremo a extremo. En el contexto de las redes móviles Ad Hoc, el encaminamiento surge como una de las áreas más interesantes para transmitir información desde una fuente hasta un destino, con la calidad de servicio de extremo a extremo. Debido a las restricciones inherentes a las redes móviles, los modelos de encaminamiento tradicionales sobre los que se fundamentan las redes fijas, no son aplicables a las redes móviles Ad Hoc. Como resultado, el encaminamiento en redes móviles Ad Hoc ha gozado de una gran atención durante los últimos años. Esto ha llevado al acrecentamiento de numerosos protocolos de encaminamiento, tratando de cubrir con cada uno de ellos las necesidades de los diferentes tipos de escenarios. En consecuencia, se hace imprescindible estudiar el comportamiento de estos protocolos bajo configuraciones de red variadas, con el fin de ofrecer un mejor encaminamiento respecto a los existentes. El presente trabajo de investigación muestra precisamente una solución de encaminamiento en las redes móviles Ad Hoc. Dicha solución se basa en el mejoramiento de un algoritmo de agrupamiento y la creación de un modelo de encaminamiento; es decir, un modelo que involucra la optimización de un protocolo de enrutamiento apoyado de un mecanismo de agrupación. El algoritmo mejorado, denominado GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) y basado en el WCA (Weighted Clustering Algorithm), permite calcular el mejor número y tamaño de grupos en la red. Con esta mejora se evitan constantes reagrupaciones y que los jefes de clústeres tengan más tiempo de vida intra-clúster y por ende una estabilidad en la comunicación inter-clúster. En la tesis se detallan las ventajas de nuestro algoritmo en relación a otras propuestas bajo WCA. El protocolo de enrutamiento Ad Hoc propuesto, denominado QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), utiliza como estrategia el empleo de clúster y jerarquías apoyada en el algoritmo de agrupamiento. Cada clúster tiene un jefe de clúster (JC), quien administra la información de enrutamiento y la envía al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para evitar que haya constantes reagrupamientos y llamados al algoritmo de agrupamiento se consideró agregarle un jefe de cluster de soporte (JCS), el que asume las funciones del JC, siempre y cuando este haya roto el enlace con los otros nodos comunes del clúster por razones de alejamiento o por desgaste de batería. Matemáticamente y a nivel de algoritmo se han demostrado las mejoras del modelo propuesto, el cual ha involucrado el mejoramiento a nivel de algoritmo de clustering y del protocolo de enrutamiento. El protocolo QoSG-CBRP, se ha implementado en la herramienta de simulación Network Simulator 2 (NS2), con la finalidad de ser comparado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con un protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). Estos protocolos fueron elegidos por ser los que mejor comportamiento presentaron dentro de sus categorías. Además de ofrecer un panorama general de los actuales protocolos de encaminamiento en redes Ad Hoc, este proyecto presenta un procedimiento integral para el análisis de capacidades de la propuesta del nuevo protocolo con respecto a otros, sobre redes que tienen un alto número de nodos. Estas prestaciones se miden en base al concepto de eficiencia de encaminamiento bajo parámetros de calidad de servicio (QoS), permitiendo establecer el camino más corto posible entre un nodo origen y un nodo destino. Con ese fin se han realizado simulaciones con diversos escenarios para responder a los objetivos de la tesis. La conclusiones derivadas del análisis de los resultados permiten evaluar cualitativamente las capacidades que presenta el protocolo dentro del modelo propuesto, al mismo tiempo que avizora un atractivo panorama en líneas futuras de investigación. ABSTRACT In the past decade, the interest in mobile Ad Hoc networks has greatly increased. The dynamic nature of these networks without infrastructure requires a new set of algorithms and strategies to provide a reliable end-to-end communication service. In the context of mobile Ad Hoc networks, routing emerges as one of the most interesting areas for transmitting information from a source to a destination, with the quality of service from end-to-end. Due to the constraints of mobile networks, traditional routing models that are based on fixed networks are not applicable to Ad Hoc mobile networks. As a result, the routing in mobile Ad Hoc networks has experienced great attention in recent years. This has led to the enhancement of many routing protocols, trying to cover with each one of them, the needs of different types of scenarios. Consequently, it is essential to study the behavior of these protocols under various network configurations, in order to provide a better routing scheme. Precisely, the present research shows a routing solution in mobile Ad Hoc networks. This solution is based on the improvement of a clustering algorithm, and the creation of a routing model, ie a model that involves optimizing a routing protocol with the support of a grouping mechanism. The improved algorithm called GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) and based on the WCA (Weighted Clustering Algorithm), allows to calculate the best number and size of groups in the network. With this enhancement, constant regroupings are prevented and cluster heads are living longer intra-cluster lives and therefore stability in inter-cluster communication. The thesis details the advantages of our algorithm in relation to other proposals under WCA. The Ad Hoc routing protocol proposed, called QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), uses a cluster-employment strategy and hierarchies supported by the clustering algorithm. Each cluster has a cluster head (JC), who manages the routing information and sends it to the destination when is out of your coverage area. To avoid constant rearrangements and clustering algorithm calls, adding a support cluster head (JCS) was considered. The JCS assumes the role of the JC as long as JC has broken the link with the other nodes in the cluster for common restraining reasons or battery wear. Mathematically and at an algorithm level, the improvements of the proposed model have been showed, this has involved the improvement level clustering algorithm and the routing protocol. QoSG-CBRP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2), in order to be compared with the hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and with the reactive routing protocol Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). These protocols were chosen because they showed the best individual performance in their categories. In addition to providing an overview of existing routing protocols in Ad Hoc networks, this project presents a comprehensive procedure for capacity analysis of the proposed new protocol with respect to others on networks that have a high number of nodes. These benefits are measured based on the concept of routing efficiency under the quality of service (QoS) parameters, thus allowing for the shortest possible path between a source node and a destination node. To meet the objectives of the thesis, simulations have been performed with different scenarios. The conclusions derived from the analysis of the results to assess qualitatively the protocol capabilities presented in the proposed model, while an attractive scenario for future research appears.

A novel methodology for planning reliable wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) have shown their potentials in various applications, which bring a lot of benefits to users from both research and industrial areas. For many setups, it is envisioned thatWSNs will consist of tens to hundreds of nodes that operate on small batteries. However due to the diversity of the deployed environments and resource constraints on radio communication, sensing ability and energy supply, it is a very challenging issue to plan optimized WSN topology and predict its performance before real deployment. During the network planning phase, the connectivity, coverage, cost, network longevity and service quality should all be considered. Therefore it requires designers coping with comprehensive and interdisciplinary knowledge, including networking, radio engineering, embedded system and so on, in order to efficiently construct a reliable WSN for any specific types of environment. Nowadays there is still a lack of the analysis and experiences to guide WSN designers to efficiently construct WSN topology successfully without many trials. Therefore, simulation is a feasible approach to the quantitative analysis of the performance of wireless sensor networks. However the existing planning algorithms and tools, to some extent, have serious limitations to practically design reliable WSN topology: Only a few of them tackle the 3D deployment issue, and an overwhelming number of works are proposed to place devices in 2D scheme. Without considering the full dimension, the impacts of environment to the performance of WSN are not completely studied, thus the values of evaluated metrics such as connectivity and sensing coverage are not sufficiently accurate to make proper decision. Even fewer planning methods model the sensing coverage and radio propagation by considering the realistic scenario where obstacles exist. Radio signals propagate with multi-path phenomenon in the real world, in which direct paths, reflected paths and diffracted paths contribute to the received signal strength. Besides, obstacles between the path of sensor and objects might block the sensing signals, thus create coverage hole in the application. None of the existing planning algorithms model the network longevity and packet delivery capability properly and practically. They often employ unilateral and unrealistic formulations. The optimization targets are often one-sided in the current works. Without comprehensive evaluation on the important metrics, the performance of planned WSNs can not be reliable and entirely optimized. Modeling of environment is usually time consuming and the cost is very high, while none of the current works figure out any method to model the 3D deployment environment efficiently and accurately. Therefore many researchers are trapped by this issue, and their algorithms can only be evaluated in the same scenario, without the possibility to test the robustness and feasibility for implementations in different environments. In this thesis, we propose a novel planning methodology and an intelligent WSN planning tool to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs. First of all, a new method is proposed to efficiently and automatically model the 3D indoor and outdoor environments. To the best of our knowledge, this is the first time that the advantages of image understanding algorithm are applied to automatically reconstruct 3D outdoor and indoor scenarios for signal propagation and network planning purpose. The experimental results indicate that the proposed methodology is able to accurately recognize different objects from the satellite images of the outdoor target regions and from the scanned floor plan of indoor area. Its mechanism offers users a flexibility to reconstruct different types of environment without any human interaction. Thereby it significantly reduces human efforts, cost and time spent on reconstructing a 3D geographic database and allows WSN designers concentrating on the planning issues. Secondly, an efficient ray-tracing engine is developed to accurately and practically model the radio propagation and sensing signal on the constructed 3D map. The engine contributes on efficiency and accuracy to the estimated results. By using image processing concepts, including the kd-tree space division algorithm and modified polar sweep algorithm, the rays are traced efficiently without detecting all the primitives in the scene. The radio propagation model iv is proposed, which emphasizes not only the materials of obstacles but also their locations along the signal path. The sensing signal of sensor nodes, which is sensitive to the obstacles, is benefit from the ray-tracing algorithm via obstacle detection. The performance of this modelling method is robust and accurate compared with conventional methods, and experimental results imply that this methodology is suitable for both outdoor urban scenes and indoor environments. Moreover, it can be applied to either GSM communication or ZigBee protocol by varying frequency parameter of the radio propagation model. Thirdly, WSN planning method is proposed to tackle the above mentioned challenges and efficiently deploy reliable WSNs. More metrics (connectivity, coverage, cost, lifetime, packet latency and packet drop rate) are modeled more practically compared with other works. Especially 3D ray tracing method is used to model the radio link and sensing signal which are sensitive to the obstruction of obstacles; network routing is constructed by using AODV protocol; the network longevity, packet delay and packet drop rate are obtained via simulating practical events in WSNet simulator, which to the best of our knowledge, is the first time that network simulator is involved in a planning algorithm. Moreover, a multi-objective optimization algorithm is developed to cater for the characteristics of WSNs. The capability of providing multiple optimized solutions simultaneously allows users making their own decisions accordingly, and the results are more comprehensively optimized compared with other state-of-the-art algorithms. iMOST is developed by integrating the introduced algorithms, to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs for different configurations. The abbreviated name iMOST stands for an Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool. iMOST contributes on: (1) Convenient operation with a user-friendly vision system; (2) Efficient and automatic 3D database reconstruction and fast 3D objects design for both indoor and outdoor environments; (3) It provides multiple multi-objective optimized 3D deployment solutions and allows users to configure the network properties, hence it can adapt to various WSN applications; (4) Deployment solutions in the 3D space and the corresponding evaluated performance are visually presented to users; and (5) The Node Placement Module of iMOST is available online as well as the source code of the other two rebuilt heuristics. Therefore WSN designers will be benefit from v this tool on efficiently constructing environment database, practically and efficiently planning reliable WSNs for both outdoor and indoor applications. With the open source codes, they are also able to compare their developed algorithms with ours to contribute to this academic field. Finally, solid real results are obtained for both indoor and outdoor WSN planning. Deployments have been realized for both indoor and outdoor environments based on the provided planning solutions. The measured results coincide well with the estimated results. The proposed planning algorithm is adaptable according to the WSN designer’s desirability and configuration, and it offers flexibility to plan small and large scale, indoor and outdoor 3D deployments. The thesis is organized in 7 chapters. In Chapter 1, WSN applications and motivations of this work are introduced, the state-of-the-art planning algorithms and tools are reviewed, challenges are stated out and the proposed methodology is briefly introduced. In Chapter 2, the proposed 3D environment reconstruction methodology is introduced and its performance is evaluated for both outdoor and indoor environment. The developed ray-tracing engine and proposed radio propagation modelling method are described in details in Chapter 3, their performances are evaluated in terms of computation efficiency and accuracy. Chapter 4 presents the modelling of important metrics of WSNs and the proposed multi-objective optimization planning algorithm, the performance is compared with the other state-of-the-art planning algorithms. The intelligent WSN planning tool iMOST is described in Chapter 5. RealWSN deployments are prosecuted based on the planned solutions for both indoor and outdoor scenarios, important data are measured and results are analysed in Chapter 6. Chapter 7 concludes the thesis and discusses about future works. vi Resumen en Castellano Las redes de sensores inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSNs) han demostrado su potencial en diversas aplicaciones que aportan una gran cantidad de beneficios para el campo de la investigación y de la industria. Para muchas configuraciones se prevé que las WSNs consistirán en decenas o cientos de nodos que funcionarán con baterías pequeñas. Sin embargo, debido a la diversidad de los ambientes para desplegar las redes y a las limitaciones de recursos en materia de comunicación de radio, capacidad de detección y suministro de energía, la planificación de la topología de la red y la predicción de su rendimiento es un tema muy difícil de tratar antes de la implementación real. Durante la fase de planificación del despliegue de la red se deben considerar aspectos como la conectividad, la cobertura, el coste, la longevidad de la red y la calidad del servicio. Por lo tanto, requiere de diseñadores con un amplio e interdisciplinario nivel de conocimiento que incluye la creación de redes, la ingeniería de radio y los sistemas embebidos entre otros, con el fin de construir de manera eficiente una WSN confiable para cualquier tipo de entorno. Hoy en día todavía hay una falta de análisis y experiencias que orienten a los diseñadores de WSN para construir las topologías WSN de manera eficiente sin realizar muchas pruebas. Por lo tanto, la simulación es un enfoque viable para el análisis cuantitativo del rendimiento de las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo, los algoritmos y herramientas de planificación existentes tienen, en cierta medida, serias limitaciones para diseñar en la práctica una topología fiable de WSN: Sólo unos pocos abordan la cuestión del despliegue 3D mientras que existe una gran cantidad de trabajos que colocan los dispositivos en 2D. Si no se analiza la dimensión completa (3D), los efectos del entorno en el desempeño de WSN no se estudian por completo, por lo que los valores de los parámetros evaluados, como la conectividad y la cobertura de detección, no son lo suficientemente precisos para tomar la decisión correcta. Aún en menor medida los métodos de planificación modelan la cobertura de los sensores y la propagación de la señal de radio teniendo en cuenta un escenario realista donde existan obstáculos. Las señales de radio en el mundo real siguen una propagación multicamino, en la que los caminos directos, los caminos reflejados y los caminos difractados contribuyen a la intensidad de la señal recibida. Además, los obstáculos entre el recorrido del sensor y los objetos pueden bloquear las señales de detección y por lo tanto crear áreas sin cobertura en la aplicación. Ninguno de los algoritmos de planificación existentes modelan el tiempo de vida de la red y la capacidad de entrega de paquetes correctamente y prácticamente. A menudo se emplean formulaciones unilaterales y poco realistas. Los objetivos de optimización son a menudo tratados unilateralmente en los trabajos actuales. Sin una evaluación exhaustiva de los parámetros importantes, el rendimiento previsto de las redes inalámbricas de sensores no puede ser fiable y totalmente optimizado. Por lo general, el modelado del entorno conlleva mucho tiempo y tiene un coste muy alto, pero ninguno de los trabajos actuales propone algún método para modelar el entorno de despliegue 3D con eficiencia y precisión. Por lo tanto, muchos investigadores están limitados por este problema y sus algoritmos sólo se pueden evaluar en el mismo escenario, sin la posibilidad de probar la solidez y viabilidad para las implementaciones en diferentes entornos. En esta tesis, se propone una nueva metodología de planificación así como una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas para ayudar a los diseñadores a planificar WSNs fiables de una manera eficiente. En primer lugar, se propone un nuevo método para modelar demanera eficiente y automática los ambientes interiores y exteriores en 3D. Según nuestros conocimientos hasta la fecha, esta es la primera vez que las ventajas del algoritmo de _image understanding_se aplican para reconstruir automáticamente los escenarios exteriores e interiores en 3D para analizar la propagación de la señal y viii la planificación de la red. Los resultados experimentales indican que la metodología propuesta es capaz de reconocer con precisión los diferentes objetos presentes en las imágenes satelitales de las regiones objetivo en el exterior y de la planta escaneada en el interior. Su mecanismo ofrece a los usuarios la flexibilidad para reconstruir los diferentes tipos de entornos sin ninguna interacción humana. De este modo se reduce considerablemente el esfuerzo humano, el coste y el tiempo invertido en la reconstrucción de una base de datos geográfica con información 3D, permitiendo así que los diseñadores se concentren en los temas de planificación. En segundo lugar, se ha desarrollado un motor de trazado de rayos (en inglés ray tracing) eficiente para modelar con precisión la propagación de la señal de radio y la señal de los sensores en el mapa 3D construido. El motor contribuye a la eficiencia y la precisión de los resultados estimados. Mediante el uso de los conceptos de procesamiento de imágenes, incluyendo el algoritmo del árbol kd para la división del espacio y el algoritmo _polar sweep_modificado, los rayos se trazan de manera eficiente sin la detección de todas las primitivas en la escena. El modelo de propagación de radio que se propone no sólo considera los materiales de los obstáculos, sino también su ubicación a lo largo de la ruta de señal. La señal de los sensores de los nodos, que es sensible a los obstáculos, se ve beneficiada por la detección de objetos llevada a cabo por el algoritmo de trazado de rayos. El rendimiento de este método de modelado es robusto y preciso en comparación con los métodos convencionales, y los resultados experimentales indican que esta metodología es adecuada tanto para escenas urbanas al aire libre como para ambientes interiores. Por otra parte, se puede aplicar a cualquier comunicación GSM o protocolo ZigBee mediante la variación de la frecuencia del modelo de propagación de radio. En tercer lugar, se propone un método de planificación de WSNs para hacer frente a los desafíos mencionados anteriormente y desplegar redes de sensores fiables de manera eficiente. Se modelan más parámetros (conectividad, cobertura, coste, tiempo de vida, la latencia de paquetes y tasa de caída de paquetes) en comparación con otros trabajos. Especialmente el método de trazado de rayos 3D se utiliza para modelar el enlace de radio y señal de los sensores que son sensibles a la obstrucción de obstáculos; el enrutamiento de la red se construye utilizando el protocolo AODV; la longevidad de la red, retardo de paquetes ix y tasa de abandono de paquetes se obtienen a través de la simulación de eventos prácticos en el simulador WSNet, y según nuestros conocimientos hasta la fecha, es la primera vez que simulador de red está implicado en un algoritmo de planificación. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo de optimización multi-objetivo para satisfacer las características de las redes inalámbricas de sensores. La capacidad de proporcionar múltiples soluciones optimizadas de forma simultánea permite a los usuarios tomar sus propias decisiones en consecuencia, obteniendo mejores resultados en comparación con otros algoritmos del estado del arte. iMOST se desarrolla mediante la integración de los algoritmos presentados, para ayudar de forma eficiente a los diseñadores en la planificación de WSNs fiables para diferentes configuraciones. El nombre abreviado iMOST (Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool) representa una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores con optimización multi-objetivo. iMOST contribuye en: (1) Operación conveniente con una interfaz de fácil uso, (2) Reconstrucción eficiente y automática de una base de datos con información 3D y diseño rápido de objetos 3D para ambientes interiores y exteriores, (3) Proporciona varias soluciones de despliegue optimizadas para los multi-objetivo en 3D y permite a los usuarios configurar las propiedades de red, por lo que puede adaptarse a diversas aplicaciones de WSN, (4) las soluciones de implementación en el espacio 3D y el correspondiente rendimiento evaluado se presentan visualmente a los usuarios, y (5) El _Node Placement Module_de iMOST está disponible en línea, así como el código fuente de las otras dos heurísticas de planificación. Por lo tanto los diseñadores WSN se beneficiarán de esta herramienta para la construcción eficiente de la base de datos con información del entorno, la planificación práctica y eficiente de WSNs fiables tanto para aplicaciones interiores y exteriores. Con los códigos fuente abiertos, son capaces de comparar sus algoritmos desarrollados con los nuestros para contribuir a este campo académico. Por último, se obtienen resultados reales sólidos tanto para la planificación de WSN en interiores y exteriores. Los despliegues se han realizado tanto para ambientes de interior y como para ambientes de exterior utilizando las soluciones de planificación propuestas. Los resultados medidos coinciden en gran medida con los resultados estimados. El algoritmo de planificación x propuesto se adapta convenientemente al deiseño de redes de sensores inalámbricas, y ofrece flexibilidad para planificar los despliegues 3D a pequeña y gran escala tanto en interiores como en exteriores. La tesis se estructura en 7 capítulos. En el Capítulo 1, se presentan las aplicaciones de WSN y motivaciones de este trabajo, se revisan los algoritmos y herramientas de planificación del estado del arte, se presentan los retos y se describe brevemente la metodología propuesta. En el Capítulo 2, se presenta la metodología de reconstrucción de entornos 3D propuesta y su rendimiento es evaluado tanto para espacios exteriores como para espacios interiores. El motor de trazado de rayos desarrollado y el método de modelado de propagación de radio propuesto se describen en detalle en el Capítulo 3, evaluándose en términos de eficiencia computacional y precisión. En el Capítulo 4 se presenta el modelado de los parámetros importantes de las WSNs y el algoritmo de planificación de optimización multi-objetivo propuesto, el rendimiento se compara con los otros algoritmos de planificación descritos en el estado del arte. La herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas, iMOST, se describe en el Capítulo 5. En el Capítulo 6 se llevan a cabo despliegues reales de acuerdo a las soluciones previstas para los escenarios interiores y exteriores, se miden los datos importantes y se analizan los resultados. En el Capítulo 7 se concluye la tesis y se discute acerca de los trabajos futuros.

Behavior of Ad Hoc routing protocols, analyzed for emergency and rescue scenarios, on a real urban area

A mobile Ad Hoc network (MANET) is a collection of wireless mobile nodes that can dynamically configure a network without a fixed infrastructure or central administration. This makes it ideal for emergency and rescue scenarios, where sharing information is essential and should occur as soon as possible. This article discusses which of the routing strategies for mobile MANETs: proactive, reactive or hierarchical, has a better performance in such scenarios. By selecting a real urban area for the emergency and rescue scenario, we calculated the density of nodes and the mobility model needed for the validation study of AODV, DSDV and CBRP in the routing model. The NS2 simulator has been used for our study. We also show that the hierarchical routing strategies are better suited for this type of scenarios.

Subjective quality evaluation for voice communication over MANET

Due to the dynamic and mutihop nature of the Mobile Ad-hoc Network (MANET), voice communication over MANET may encounter many challenges. We set up a subjective quality evaluation model using ITU-T E-model with extension. And through simulation in NS-2, we evaluate how the following factors impact voice quality in MANET: the number of hops, the number of route breakages, the number of communication pairs and the background traffic. Using AODV as the underlying routing protocol, and with the MAC layer changed from 802.11 DCF to 802.11e EDCF, we observe that 802.11e is more suitable for implementating voice communication over MANET. © 2005 IEEE.

Impact of node mobility in user-centric routing

Recent paradigms in wireless communication architectures describe environments where nodes present a highly dynamic behavior (e.g., User Centric Networks). In such environments, routing is still performed based on the regular packet-switched behavior of store-and-forward. Albeit sufficient to compute at least an adequate path between a source and a destination, such routing behavior cannot adequately sustain the highly nomadic lifestyle that Internet users are today experiencing. This thesis aims to analyse the impact of the nodes’ mobility on routing scenarios. It also aims at the development of forwarding concepts that help in message forwarding across graphs where nodes exhibit human mobility patterns, as is the case of most of the user-centric wireless networks today. The first part of the work involved the analysis of the mobility impact on routing, and we found that node mobility significance can affect routing performance, and it depends on the link length, distance, and mobility patterns of nodes. The study of current mobility parameters showed that they capture mobility partially. The routing protocol robustness to node mobility depends on the routing metric sensitivity to node mobility. As such, mobility-aware routing metrics were devised to increase routing robustness to node mobility. Two categories of routing metrics proposed are the time-based and spatial correlation-based. For the validation of the metrics, several mobility models were used, which include the ones that mimic human mobility patterns. The metrics were implemented using the Network Simulator tool using two widely used multi-hop routing protocols of Optimized Link State Routing (OLSR) and Ad hoc On Demand Distance Vector (AODV). Using the proposed metrics, we reduced the path re-computation frequency compared to the benchmark metric. This means that more stable nodes were used to route data. The time-based routing metrics generally performed well across the different node mobility scenarios used. We also noted a variation on the performance of the metrics, including the benchmark metric, under different mobility models, due to the differences in the node mobility governing rules of the models.