Simulazioni di named data networking per reti veicolari

Le reti veicolari, anche dette VANET, sono da tempo oggetto di studio. Durante il periodo di ricerca svolto presso l'Università della California Los Angeles (UCLA) è stato possibile studiare i protocolli adatti allo scambio di contenuti fra i veicoli secondo il paradigma del Named Data Networking (NDN). Il Named Data Networking rappresenta un nuovo modello di comunicazione per il reperimento dei contenuti all'interno della rete. Nelle VANET ogni veicolo è potenzialmente un fornitore di contenuti, oltre che un richiedente. L'infrastruttura di riferimento posta all'interno del campus universitario permette il reperimento di dati necessario allo studio del problema, non solo da un punto di vista pratico ma anche da un punto di vista teorico. Infatti, data la tipologia dei test e le difficoltà intrinseche che essi comportano, l'attività di simulazione svolge un ruolo importante per lo sviluppo e lo studio del protocollo all'interno delle reti veicolari. L'attività di ricerca svolta si articola nei seguenti aspetti: introduzione al nuovo paradigma di comunicazione: principi del Named Data Networking, funzionamento di NDN, reti veicolari, applicabilità di NDN alle VANET; modelli di mobilità per le reti veicolari: linee guida per la costruzione di un modello di mobilità, situazione attuale dei modelli disponibili, simulatori di rete, strumenti utilizzati e il loro funzionamento; attività di simulazione: pianificazione e implementazione di diverse tipologie di scenari di reti veicolari; analisi dei dati raccolti dalla fase precedente: vengono elaborati i dati raccolti e si cerca di catturarne gli aspetti più significativi. L'obiettivo è quello di condurre uno studio di fattibilità sull'applicazione di NDN alle reti mobili, in particolare alle reti veicolari in ambito urbano. Al momento in cui è iniziata la collaborazione con il gruppo di ricerca del Network Research Lab di UCLA, era da poco stata rilasciata la prima versione di NDN contenente l'estensione pensata per il veicolare, quindi non erano presenti in letteratura studi condotti per questo tipo di scenari. Lo scopo è quello di estrarre informazioni e ricavarne significative indicazioni sulle prestazioni del sistema.

Una rassegna delle tecnologie di rete wireless WRAN IEEE 802.22 e mobile WiMAX IEEE 802.16e

Lo scopo di questa tesi è quello di illustrare gli standard IEEE 802.22 WRAN e IEEE 802.16e Mobile WiMAX. Di questi standard verranno analizzate le caratteristiche principali, i metodi di funzoinamento ed alcuni protocolli. Nel primo capitolo viene fatta una breve spiegazione delle tecnologie wireless con un focus sullo spettro radio, sulle tecniche di modulazione dell’onda radio, sugli scenari operativi LOS, nLOS ed NLOS, sulle tecniche di duplexing e le tecniche di accesos multiplo, inoltre vengono brevente illustrate alcune delle problematiche che affliggono le trasmissioni senza fili ed infine vengono illustrate i quattro più comuni livelli di QoS. Nel secondo capitolo viene illustrato lo standard IEEE 802.22 con un focus sullo stato dell’arte della tecnologia WRAN, come si è sviluppato lo standard e per quali motivi è stato redatto, lo spettro di frequeza utilizzato e come, il funzionamento delle Cognitive Radio, i dispositivi che caratterizzano le reti WRAN e la topologia di rete utilizzata. In seguito sono spiegati nello specifico i livelli fisico e MAC e le loro caratteristiche e metodi di funzionamento. Nel terzo capitolo vengono illustrate le caratteristiche dello standard IEEE 802.16e cercando di riprendere gli stessi punti toccati nel capitolo precedente con una caratterizzazione dello standard nei suoi particolari.

Un servizio di route planning per scenari di mobilità elettrica

Nelle smart cities moderne, la mobilità di veicoli elettrici (EV) è considerata un fattore determinante nella riduzione del consumo di combustibili fossili e conseguenti emissioni inquinanti. Tuttavia, nonostante gli interessi e investimenti a livello globale, l'accettazione da parte degli utenti è ancora bassa, principalmente a causa della mancanza di infrastrutture e servizi a supporto dei guidatori di EV. Queste mancanze sono la causa principale della cosiddetta range anxiety (timore che il veicolo non abbia autonomia sufficiente per raggiungere la destinazione) e hanno portato al preconcetto che gli EV siano adatti alla sola percorrenza di brevi tragitti. Per contrastare questi problemi, in questo documento è proposta un'applicazione di route planning che supporti mobilità di EV anche su percorsi medio-lunghi, mediante utilizzo di un modello di predizione del consumo energetico e considerazione dell'eventuale necessità di ricarica. Saranno descritte tecniche per determinare il tragitto che un EV sia in grado di percorrere per arrivare a destinazione, in considerazione di restrizioni energetiche, fattore altimetrico del percorso ed eventuali operazioni di ricarica necessarie. Il modello di consumo e l'algoritmo che determina il miglior percorso (dal punto di vista energetico) sono implementati da un web service che interagisce con i servizi di Google Maps (per ottenere indicazioni stradali, dati altimetrici e informazioni in tempo reale sul traffico) e con servizi che offrono informazioni sulle stazioni di ricarica e relative posizioni. Dopo aver descritto il modello di consumo e l'algoritmo per la ricerca del percorso, sarà presentata l'architettura del servizio implementato. Sarà quindi fornita una valutazione del servizio, analizzandone performance e scalabilità, nonché l'efficacia nel supporto di percorsi di EV all'interno di scenari su larga scala (nello specifico la regione Emilia Romagna), attraverso tecniche di simulazione.

Reti transeuropee e servizi nei settori dell'energia, delle telecomunicazioni e dei trasporti

Le reti transeuropee sono uno dei vettori della competitività, dell’integrazione e dello sviluppo sostenibile dell’Unione. La tesi mette in luce la progressiva affermazione di una coerente politica infrastrutturale europea a carattere strumentale, esaminando tale evoluzione sotto tre profili: normativo, istituzionale e finanziario. In primo luogo, sotto il profilo normativo, la tesi evidenzia, da un lato, la progressiva emancipazione delle istituzioni dell’Unione dall’influenza degli Stati membri nell’esercizio delle proprie competenze in materia di reti transeuropee e, dall’altro, lo sviluppo di relazioni di complementarietà e specialità tra la politica di reti e altre politiche dell’Unione. L’elaborato sottolinea, in secondo luogo, sotto il profilo istituzionale, il ruolo del processo di «integrazione organica» dei regolatori nazionali e del processo di «agenzificazione» nel perseguimento degli obiettivi di interconnessione e accesso alle reti nazionali. La tesi osserva, infine, sotto il profilo finanziario, l’accresciuta importanza del sostegno finanziario dell’UE alla costituzione delle reti, che si è accompagnata al parziale superamento dei limiti derivanti dal diritto dell’UE alla politiche di spesa pubblica infrastrutturale degli Stati membri. Da un lato rispetto al diritto della concorrenza e, in particolare, al divieto di aiuti di stato, grazie al rapporto funzionale tra reti e prestazione di servizi di interesse economico generale, e dall’altro lato riguardo ai vincoli di bilancio, attraverso un’interpretazione evolutiva della cd. investment clause del Patto di stabilità e crescita. La tesi, in conclusione, rileva gli sviluppi decisivi della politica di reti europea, ma sottolinea il ruolo che gli Stati membri sono destinati a continuare ad esercitare nel suo sviluppo. Da questi ultimi, infatti, dipende la concreta attuazione di tale politica, ma anche il definitivo superamento, in occasione di una prossima revisione dei Trattati, dei retaggi intergovernativi che continuano a caratterizzare il diritto primario in materia.

Modellazione e comparazione del protocollo TCP in scenari di mobilità

Nell'ultimo ventennio l'impatto delle tecnologie wireless ha rivoluzionato il modo di comunicare. Tuttavia oltre a svariati benefici sono emersi diversi problemi di integrazione e ottimizzazione. Uno tra i protocolli più conosciuto e utilizzato in ambito di comunicazioni di rete, il TCP, viene sempre più spesso usato all'interno di sistemi wireless, per le sue caratteristiche di affidabilità e controllo, senza però fornire supporto specifico. Ciò è materia di forte dibattito e ricerca, che mira a cercare di raffinare le differenti versioni di TCP per renderle wireless-oriented. In questo lavoro si analizzano due varianti di sistema che sfruttano il TCP in scenari di mobilità, una con TCP classico e l'altra con TCP modificato tramite l'aggiunta di un meccanismo di ritrasmissione anticipata, e se ne studiano i vari aspetti e comportamenti, valutandone le prestazioni per mezzo di metodi matematici consolidati in letteratura.

Protocolli per gestione di informazioni di traffico in reti veicolari ad hoc

Sviluppo ed implementazione di protocolli per il monitoraggio di traffico stradale sulla piattaforma di simulazione iTETRIS per la raccolta di informazioni da utilizzare in applicazioni di Intelligent Transport System.

Integrating wireless sensor networks and internet of things: A coap-based approach

L'obiettivo su cui è stata basata questa Tesi di Laurea è stato quello di integrare la tecnologia delle Wireless Sensor Networks (WSN) al contesto dell'Internet delle cose (IoT). Per poter raggiungere questo obiettivo, il primo passo è stato quello di approfondire il concetto dell'Internet delle cose, in modo tale da comprendere se effettivamente fosse stato possibile applicarlo anche alle WSNs. Quindi è stata analizzata l'architettura delle WSNs e successivamente è stata fatta una ricerca per capire quali fossero stati i vari tipi di sistemi operativi e protocolli di comunicazione supportati da queste reti. Infine sono state studiate alcune IoT software platforms. Il secondo passo è stato quindi di implementare uno stack software che abilitasse la comunicazione tra WSNs e una IoT platform. Come protocollo applicativo da utilizzare per la comunicazione con le WSNs è stato usato CoAP. Lo sviluppo di questo stack ha consentito di estendere la piattaforma SensibleThings e il linguaggio di programmazione utilizzato è stato Java. Come terzo passo è stata effettuata una ricerca per comprendere a quale scenario di applicazione reale, lo stack software progettato potesse essere applicato. Successivamente, al fine di testare il corretto funzionamento dello stack CoAP, è stata sviluppata una proof of concept application che simulasse un sistema per la rilevazione di incendi. Questo scenario era caratterizzato da due WSNs che inviavano la temperatura rilevata da sensori termici ad un terzo nodo che fungeva da control center, il cui compito era quello di capire se i valori ricevuti erano al di sopra di una certa soglia e quindi attivare un allarme. Infine, l'ultimo passo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare le performance del sistema sviluppato. I parametri usati per effettuare queste valutazioni sono stati: tempi di durata delle richieste CoAP, overhead introdotto dallo stack CoAP alla piattaforma Sensible Things e la scalabilità di un particolare componente dello stack. I risultati di questi test hanno mostrato che la soluzione sviluppata in questa tesi ha introdotto un overheadmolto limitato alla piattaforma preesistente e inoltre che non tutte le richieste hanno la stessa durata, in quanto essa dipende dal tipo della richiesta inviata verso una WSN. Tuttavia, le performance del sistema potrebbero essere ulteriormente migliorate, ad esempio sviluppando un algoritmo che consenta la gestione concorrente di richieste CoAP multiple inviate da uno stesso nodo. Inoltre, poichè in questo lavoro di tesi non è stato considerato il problema della sicurezza, una possibile estensione al lavoro svolto potrebbe essere quello di implementare delle politiche per una comunicazione sicura tra Sensible Things e le WSNs.

Applicazioni Wireless in Body Area Network

Negli ultimi dieci anni si è rinnovata l’esigenza di sviluppare nuove tecnologie legate alla telemedicina, specie a seguito dello sviluppo dei sistemi di telecomunicazione che consentono ad ogni persona di avere a disposizione sistemi portatili, come gli smartphone, sempre connessi e pronti a comunicare. Lo stesso sviluppo si è avuto all’interno dei sistemi sanitari in cui è diventato fondamentale informatizzare le attività ospedaliere per via del contesto demografico a cui si va incontro: invecchiamento della popolazione e aumento del numero di pazienti affetti da malattie croniche. Tutti questi aspetti portano all’attuazione di un cambiamento strategico. Le Body Area Network, fulcro di questo lavoro di tesi, rappresentano la risposta a questa necessità. Si spiegano l'architettura e le tecnologie abilitanti per la realizzazione di queste reti di sensori, gli standard di comunicazione tramite i quali avviene la trasmissione dei dati e come le reti si interfacciano con i pazienti e le strutture sanitarie. Si conclude con una panoramica sui sensori di una BAN e alcuni esempi in commercio.

Valutazione del rischio sismico e idrogeologico nelle reti di distribuzione acqua e attuazione dei possibili interventi

L’obbiettivo ultimo di questo elaborato è quello di valutare il rischio per un evento sismico e un evento idrogeologico di tre reti di condotte per la distribuzione dell’acqua, per poter assegnare ai vari gradi di rischio un opportuno intervento. Le condotte delle reti sono identificate con: ID, materiale, pressione nominale, diametro nominale, portata, spessore, tipologia di giunti, rivestimento, protezione catodica, anno di posa, collocazione. Noti i dati, si possono calcolare le classi dei fattori vulnerabilità, esposizione e pericolosità, relativa ad ogni singola condotta e all’intera rete. La vulnerabilità valuta i fattori di suscettibilità e resilienza di una condotta, l’esposizione valuta i costi ad essa associati e la pericolosità valuta la possibilità degli eventi scelti in base alla collocazione fisica della condotta. Le classi sono successivamente combinate per conoscere il rischio della condotta rispetto l’intera rete. Valutato il livello di rischio abbinato al livello di vulnerabilità della condotta, si ottiene l’intervento opportuno per la condotta analizzata.

Confronto simulativo tra architetture per la mobilità: analisi simulatore LISP e confronto con ABPS

L'utilizzo sempre crescente di dispositivi mobili, lo sviluppo di applicazioni mobile in continuo aumento, e la necessità di una sempre migliore qualità della comunicazione, ha portato grande interesse ad analizzare i protocolli di supporto alla mobilità dei terminali. Questi, tra i quali il più conosciuto è forse Mobile IP, vengono posti in esame utilizzando diverse metriche per valutarne le prestazioni. Si confrontano dunque due protocolli: LISP e ABPS; per ognuno dei quali ne viene presentata e descritta l'architettura e le principali funzionalità; entrambe queste architetture per il supporto alla mobilità, prevedono delle specifiche per fornire continuità nella comunicazione durante il roaming di un nodo multihomed. Vengono presentati poi gli strumenti con i quali verrà effettuata il l'analisi: il simulatore a eventi discreti OMNeT++ e il suo framework INET. Successivamente sono descritte le principali componenti dei simulatori per LISP e ABPS, che modellano le meccaniche dei due protocolli analizzati. Questi sono stati sottoposti a modifiche mirate a correggerne eventuali anomalie di comportamento, e ad introdurre nuove funzionalità, soprattutto per quanto riguarda ABPS, che era solo parzialmente implementato. Sono mostrati gli scenari in cui verranno effettuati i test per il confronto delle prestazioni: uno scenario semplice e uno che cerca di proporre una rete urbana verosimile; di seguito vengono elencati i parametri e le configurazioni utilizzate per ognuno dei due scenari. Infine vengono presentati i risultati mettendo a confronto due aspetti della mobilità dei terminali: durata dell'intervallo di indisponibilità e latenza dei pacchetti.

Sviluppo di sistemi mobile ad alta densita basati su comunicazioni opportunistiche wireless

In questa tesi ci si pone l'obiettivo di sviluppare sistemi distribuiti composti da device mobile che si scambiano informazioni tramite comunicazioni opportunistiche wireless peer-to-peer. Vengono inizialmente analizzate le principali tecnologie di comunicazione wireless adatte allo scopo, soffermandosi sulle reti Wifi ad hoc, delle quali vengono studiate le performance in sistemi di larga scala tramite il simulatore di reti ns-3. Successivamente viene esposto lo sviluppo di componenti software, basati su Akka Stream, per la costruzione di campi computazionali tramite comunicazioni opportunistiche tra device Android, effettuate tramite reti Wifi ad hoc.

Method of collaborative detection of autonomous transport vehicles based on laser rangefinder data

To master changing performance demands, autonomous transport vehicles are deployed to make inhouse material flow applications more flexible. The socalled cellular transport system consists of a multitude of small scale transport vehicles which shall be able to form a swarm. Therefore the vehicles need to detect each other, exchange information amongst each other and sense their environment. By provision of peripherally acquired information of other transport entities, more convenient decisions can be made in terms of navigation and collision avoidance. This paper is a contribution to collective utilization of sensor data in the swarm of cellular transport vehicles.

Energy-Efficient Management Of Heterogeneous Wireless Sensor Networks

Various applications for the purposes of event detection, localization, and monitoring can benefit from the use of wireless sensor networks (WSNs). Wireless sensor networks are generally easy to deploy, with flexible topology and can support diversity of tasks thanks to the large variety of sensors that can be attached to the wireless sensor nodes. To guarantee the efficient operation of such a heterogeneous wireless sensor networks during its lifetime an appropriate management is necessary. Typically, there are three management tasks, namely monitoring, (re) configuration, and code updating. On the one hand, status information, such as battery state and node connectivity, of both the wireless sensor network and the sensor nodes has to be monitored. And on the other hand, sensor nodes have to be (re)configured, e.g., setting the sensing interval. Most importantly, new applications have to be deployed as well as bug fixes have to be applied during the network lifetime. All management tasks have to be performed in a reliable, time- and energy-efficient manner. The ability to disseminate data from one sender to multiple receivers in a reliable, time- and energy-efficient manner is critical for the execution of the management tasks, especially for code updating. Using multicast communication in wireless sensor networks is an efficient way to handle such traffic pattern. Due to the nature of code updates a multicast protocol has to support bulky traffic and endto-end reliability. Further, the limited resources of wireless sensor nodes demand an energy-efficient operation of the multicast protocol. Current data dissemination schemes do not fulfil all of the above requirements. In order to close the gap, we designed the Sensor Node Overlay Multicast (SNOMC) protocol such that to support a reliable, time-efficient and energy-efficient dissemination of data from one sender node to multiple receivers. In contrast to other multicast transport protocols, which do not support reliability mechanisms, SNOMC supports end-to-end reliability using a NACK-based reliability mechanism. The mechanism is simple and easy to implement and can significantly reduce the number of transmissions. It is complemented by a data acknowledgement after successful reception of all data fragments by the receiver nodes. In SNOMC three different caching strategies are integrated for an efficient handling of necessary retransmissions, namely, caching on each intermediate node, caching on branching nodes, or caching only on the sender node. Moreover, an option was included to pro-actively request missing fragments. SNOMC was evaluated both in the OMNeT++ simulator and in our in-house real-world testbed and compared to a number of common data dissemination protocols, such as Flooding, MPR, TinyCubus, PSFQ, and both UDP and TCP. The results showed that SNOMC outperforms the selected protocols in terms of transmission time, number of transmitted packets, and energy-consumption. Moreover, we showed that SNOMC performs well with different underlying MAC protocols, which support different levels of reliability and energy-efficiency. Thus, SNOMC can offer a robust, high-performing solution for the efficient distribution of code updates and management information in a wireless sensor network. To address the three management tasks, in this thesis we developed the Management Architecture for Wireless Sensor Networks (MARWIS). MARWIS is specifically designed for the management of heterogeneous wireless sensor networks. A distinguished feature of its design is the use of wireless mesh nodes as backbone, which enables diverse communication platforms and offloading functionality from the sensor nodes to the mesh nodes. This hierarchical architecture allows for efficient operation of the management tasks, due to the organisation of the sensor nodes into small sub-networks each managed by a mesh node. Furthermore, we developed a intuitive -based graphical user interface, which allows non-expert users to easily perform management tasks in the network. In contrast to other management frameworks, such as Mate, MANNA, TinyCubus, or code dissemination protocols, such as Impala, Trickle, and Deluge, MARWIS offers an integrated solution monitoring, configuration and code updating of sensor nodes. Integration of SNOMC into MARWIS further increases performance efficiency of the management tasks. To our knowledge, our approach is the first one, which offers a combination of a management architecture with an efficient overlay multicast transport protocol. This combination of SNOMC and MARWIS supports reliably, time- and energy-efficient operation of a heterogeneous wireless sensor network.

An evaluation of TCP over wired-to-wireless networks

To exploit the popularity of TCP as still the dominant sender and protocol of choice for transporting data reliably across the heterogeneous Internet, this thesis explores end-to-end performance issues and behaviours of TCP senders when transferring data to wireless end-users. The theme throughout is on end-users located specifically within 802.11 WLANs at the edges of the Internet, a largely untapped area of work. To exploit the interests of researchers wanting to study the performance of TCP accurately over heterogeneous conditions, this thesis proposes a flexible wired-to-wireless experimental testbed that better reflects conditions in the real-world. To exploit the transparent functionalities between TCP in the wired domain and the IEEE 802.11 WLAN protocols, this thesis proposes a more accurate methodology for gauging the transmission and error characteristics of real-world 802.11 WLANs. It also aims to correlate any findings with the functionality of fixed TCP senders. To exploit the popularity of Linux as a popular operating system for many of the Internet’s data servers, this thesis studies and evaluates various sender-side TCP congestion control implementations within the recent Linux v2.6. A selection of the implementations are put under systematic testing using real-world wired-to-wireless conditions in order to screen and present a viable candidate/s for further development and usage in the modern-day heterogeneous Internet. Overall, this thesis comprises a set of systematic evaluations of TCP senders over 802.11 WLANs, incorporating measurements in the form of simulations, emulations, and through the use of a real-world-like experimental testbed. The goal of the work is to ensure that all aspects concerned are comprehensively investigated in order to establish rules that can help to decide under which circumstances the deployment of TCP is optimal i.e. a set of paradigms for advancing the state-of-the-art in data transport across the Internet.

Enhancement of wireless networks with heterogeneous antennas

In recent years, wireless communication infrastructures have been widely deployed for both personal and business applications. IEEE 802.11 series Wireless Local Area Network (WLAN) standards attract lots of attention due to their low cost and high data rate. Wireless ad hoc networks which use IEEE 802.11 standards are one of hot spots of recent network research. Designing appropriate Media Access Control (MAC) layer protocols is one of the key issues for wireless ad hoc networks. ^ Existing wireless applications typically use omni-directional antennas. When using an omni-directional antenna, the gain of the antenna in all directions is the same. Due to the nature of the Distributed Coordination Function (DCF) mechanism of IEEE 802.11 standards, only one of the one-hop neighbors can send data at one time. Nodes other than the sender and the receiver must be either in idle or listening state, otherwise collisions could occur. The downside of the omni-directionality of antennas is that the spatial reuse ratio is low and the capacity of the network is considerably limited. ^ It is therefore obvious that the directional antenna has been introduced to improve spatial reutilization. As we know, a directional antenna has the following benefits. It can improve transport capacity by decreasing interference of a directional main lobe. It can increase coverage range due to a higher SINR (Signal Interference to Noise Ratio), i.e., with the same power consumption, better connectivity can be achieved. And the usage of power can be reduced, i.e., for the same coverage, a transmitter can reduce its power consumption. ^ To utilizing the advantages of directional antennas, we propose a relay-enabled MAC protocol. Two relay nodes are chosen to forward data when the channel condition of direct link from the sender to the receiver is poor. The two relay nodes can transfer data at the same time and a pipelined data transmission can be achieved by using directional antennas. The throughput can be improved significant when introducing the relay-enabled MAC protocol. ^ Besides the strong points, directional antennas also have some explicit drawbacks, such as the hidden terminal and deafness problems and the requirements of retaining location information for each node. Therefore, an omni-directional antenna should be used in some situations. The combination use of omni-directional and directional antennas leads to the problem of configuring heterogeneous antennas, i e., given a network topology and a traffic pattern, we need to find a tradeoff between using omni-directional and using directional antennas to obtain a better network performance over this configuration. ^ Directly and mathematically establishing the relationship between the network performance and the antenna configurations is extremely difficult, if not intractable. Therefore, in this research, we proposed several clustering-based methods to obtain approximate solutions for heterogeneous antennas configuration problem, which can improve network performance significantly. ^ Our proposed methods consist of two steps. The first step (i.e., clustering links) is to cluster the links into different groups based on the matrix-based system model. After being clustered, the links in the same group have similar neighborhood nodes and will use the same type of antenna. The second step (i.e., labeling links) is to decide the type of antenna for each group. For heterogeneous antennas, some groups of links will use directional antenna and others will adopt omni-directional antenna. Experiments are conducted to compare the proposed methods with existing methods. Experimental results demonstrate that our clustering-based methods can improve the network performance significantly. ^