Putting data delivery into context: Design and evaluation of adaptive networking support for successful communication in wireless self-organizing networks

This document is dedicated to my research work developed during the latest 6 years on the design and evaluation of wireless networking systems and is the result of a number of collaborations. In particular, my main goal has been the provision of networking support for success data delivery in wireless selforganizing networks. The central question that has been driving my research activities is: "what are the networking services underlying the design of successful communication strategies in wireless self-organizing networking systems (static or mobile)?". Wireless self-organizing networks (WSON) have intrinsic characteristics and consequently, require particular solutions that set them apart from traditional "graph-based" networks. The different types of WSONs require adaptive networking services targeted to deal with their dynamic nature (i.e., mobility, resource limitation, unreliable wireless communication, etc) and to find a fit between their operation and the environment. Influenced by such observations, my research activities were guided by the main goal of providing network-level support for success data delivery in wireless self-organizing networks. The research axes I developed together with my colleagues in this context are categorized in adaptive core and network-level services. These two categories of services are distinguished by the level where adaptation is considered, i.e., at the node or at the network level, respectively. The contributions related to core services that I performed relate to location and neighborhood discovery services. Due to page limitation, this manuscript is, however, devoted to the research that I conducted around adaptive network-level services. Therefore, it is structured in three main chapters corresponding to three classes of network-level services: topology management services, data management services, and routing and forwarding services. My first presented research contributions concern topology management services performed through node adaptation - by imposing a hierarchy in the network through clustering or by removing nodes from the network graph by powering them off - and through controlled mobility - which affects both the presence of nodes and links, as well as the quality of links in the network graph. Related to node adaptation, the SAND protocol and the systems VINCOS and NetGeoS dealing respectively with energy-conserving topology management and with geometric self-structuring in wireless sensor networks (WSNs) were proposed. Then, related to controlled mobility, the Hilbert-based trajectory design and Cover approaches are introduced. They focus on the deployment of solutions for zone coverage with mobile nodes, designed to periodically monitor a geographic area or to cover mobile sensor nodes (targets). Considering data management services, my contributions relate to data collection - which involved data distribution solutions with organization goals - and data dissemination -where data flows are directed towards the network. For this, the protocols DEEP and Supple were designed for wireless sensor networks, while FairMix and VIP delegation approaches focus on information dissemination in wireless social networks. In particular, to improve data dissemination, FairMix and VIP delegation exploit social interests' similarities of people or groups in static networks or the social aspect of their wireless interactions in mobile networks. Finally, my works on adaptive forwarding services address connectivity opportunity in delay tolerant networks. In this context, Seeker and GrAnt protocols were designed and use respectively contact history (contact and communication patterns) and social network properties of nodes to predict future meetings and to better adjust forwarding decisions. Following the new communication opportunities and the dynamic shift observed over the past years in wireless networks, my research activities have been gradually moving from connected self-organizing networks to intermittently connected and opportunistic networks. In this way, my future research focus on: (1) leveraging the uncontrolled mobility patterns of pervasive mobile sensing devices to improve sensing collaborative efforts; (2) looking deeper into social graph generation techniques from contact traces; (3) studying what are the factors impacting (in a positive or in a negative way) the success of information dissemination in social mobile networks; and (4) investigating the possibility of tailoring network coding for information dissemination in social mobile networks.Ce document est dédié à mes travaux de recherche développés au cours des six dernières années sur la conception et l'évaluation de systèmes de réseaux sans fil et est le résultat d'un certain nombre de collaborations. En particulier, mon objectif principal a été le soutien à la livraison fiable de données dans les réseaux sans fil auto-organisés. La question centrale, qui a guidée mes activités de recherche, est la suivante: "quels sont les services réseaux sous-jacents à la bonne conception de stratégies de communication sans fil dans les systèmes de réseaux auto-organisés (fixe ou mobile)?". Les réseaux auto-organisés (WSONs) ont des caractéristiques intrinsèques et, par conséquent, nécessitent des solutions particulières qui les distinguent des réseaux traditionnels basés sur des graphes. Les différents types de WSONs nécessitent des services adaptatifs ciblés pour faire face à leur nature (i.e., la mobilité, la limitation des ressources, le manque de fiabilité des communications sans fil,. . .) et pour trouver une adéquation entre leur fonctionnement et l'environnement. Influencée par de telles observations, mes activités de recherche ont été guidées par l'objectif principal de fournir au niveau du réseau un soutien à la livraison fiable de données dans les réseaux sans fil auto-organisés. Les axes de recherche, que j'ai développés avec mes collègues dans ce contexte, sont classés comme étant des services adaptifs "au niveau noeud" et "au niveau réseau" et se distinguent par le niveau auquel l'adaptation est considérée. Mes contributions, liées à la première catégorie de service, reposent sur les services de localisation et de découverte de voisinage. En raison de la limitation de page, ce manuscrit est, cependant, consacré à la recherche que j'ai menée autour des services adaptatifs au niveau du réseau. Par conséquent, il est structuré en trois chapitres principaux correspondants à trois classes de services réseaux : des services de gestion de la topologie, des services de gestion des données et des services de routage et d'acheminement. Ma première contribution concerne des services de gestion de la topologie, qui sont réalisés grâce à l'adaptation des noeuds - en imposant une hiérarchie dans le réseau via la clusterisation ou en supprimant des noeuds du graphe du réseau en les éteignant - et par la mobilité contrôlée - qui affecte à la fois la présence de noeuds et de liens, ainsi que la qualité des liens dans le graphe du réseau. Se basant sur l'adaptation de noeuds, le protocole SAND, les systèmes VINCOS et NetGeoS qui portent respectivement sur la conservation d'énergie et sur l'auto-structuration des réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont été proposés. Ensuite, se basant sur la mobilité contrôlée, des propositions, liées à la conception de trajectoire de Hilbert et du protocole Cover, ont été présentées. Elles se concentrent sur le déploiement de solutions pour la couverture de zone avec des noeuds mobiles et ont été conçues pour surveiller périodiquement une zone géographique ou pour couvrir des noeuds de capteurs mobiles (cibles). Considérant les services de gestion de données, mes contributions se rapportent à la collecte des données - qui implique des solutions de distribution de données avec des objectifs liés a l'organisation - et la diffusion des données - où les flux de données sont dirigés vers le réseau. Pour cela, les protocoles DEEP et Supple ont été conçus pour les réseaux de capteurs sans fil, tandis que FairMix et VIP delegation se concentrent sur la diffusion d'information dans les réseaux sans fil sociaux. En particulier, afin d'améliorer la diffusion des données, FairMix et VIP delegation, exploitent les similarités des intérêts sociaux des personnes ou des groupes dans les réseaux fixes ou l'aspect social de leurs interactions sans fil dans les réseaux mobiles. Finalement, mes travaux sur les services adaptatifs d'acheminement attaquent la problèmatique de la connectivité opportuniste dans les réseaux sans fil tolérants aux délais. Dans ce contexte, les protocoles Seeker et GrAnt ont été conçus et utilisent respectivement l'histoire du contact entre les noeuds (les schémas de contact et de communication) et les propriétés des réseaux sociaux de noeuds afin de prédire les futures rencontres et de mieux ajuster les décisions de transfert. Au regard des nouvelles possibilités de communication et du changement dynamique observé au cours des dernières années dans les réseaux sans fil, mes activités de recherche se sont progressivement orientés des réseaux auto-organisés connectés vers les réseaux connectés par intermittence et opportunistes. De cette façon, mes perspectives de recherche future sont: (1) tirer profit des schémas de mobilité incontrôlée des dispositifs mobiles pervasifs pour améliorer les efforts de perception collaborative; (2) regarder plus en profondeur les techniques de génération de graphes sociaux à partir des traces décrivant les contacts entre les noeuds; (3) étudier quels sont les facteurs ayant un impact (positif ou négatif) sur le succès de la diffusion de l'information dans les réseaux sociaux mobiles, et (4) étudier la possibilité d'adapter le codage réseau à la diffusion d'information dans les réseaux sociaux mobiles