Abstract-One of the dominant approaches in coping with the intermittent connectivity of opportunistic networks is packet replication. However, the need for a distributed operation forces the nodes carrying a message copy to make replication decisions without taking into account the replication state of other nodes. This strategy can lead to the creation of an excessive number of replicas thus exhausting the limited node resources such as energy and storage capacity. In this paper, we propose a simple yet efficient method which, without incurring any additional cost, allows nodes to share information about the replication process in order to avoid unnecessary replication. Our approach significantly reduces the routing cost without sacrificing delivery rate. Furthermore, it is generic in the sense that it can be implemented regardless of the utility metric used for making the replication decision. We validate the performance gains of our algorithm through analysis as well as extensive simulations.

Abstract-Network coding has been successfully used in the past for efficient broadcasting in wireless multi-hop networks. Two coding approaches are suitable for mobile networks; Random Linear Network Coding (RLNC) and XOR-based coding. In this work, we make the observation that RLNC provides increased resilience to packet losses compared to XOR-based coding. We develop an analytical model that justifies our intuition. However, the model also reveals that combining RLNC with probabilistic forwarding, which is the approach taken in the literature, may significantly impact RLNC's performance. Therefore, we take the novel approach to combine RLNC with a deterministic broadcasting algorithm in order to prune transmissions. More specifically, we propose a Connected Dominating Set (CDS) based algorithm that works in synergy with RLNC on the "packet generation level". Since managing packet generations is a key issue in RLNC, we propose a distributed scheme, which is also suitable for mobile environments and does not compromise the coding efficiency. We show that the proposed algorithm outperforms XOR-based as well as RLNC-based schemes even when global knowledge is used for managing packet generations.

Abstract-It has been observed that opportunistic networks exhibit a highly unbalanced traffic load distribution, mainly because of the heterogeneity in mobility and the greedy routing decisions, leading to packet drops due to storage constraints. The existing strategies rely either on fairness techniques or on diverting traffic to alternative routes in order to control congestion. The result is a dilemma between performance and fairness. In this work, we introduce a congestion control mechanism that provides a tunable trade-off between efficiency and fairness. We rely on the social preferences of the nodes for dynamically tuning the aforementioned trade-off. Our simulations show that the proposed algorithm achieves high delivery ratio, combined with low endto-end delay and routing cost, without sacrificing fairness under high traffic load.

Abstract-Multiple Description coding (MD) has been proved to be very efficient for video multicast over random networks when combined with network coding. However, in the case where heterogeneous receivers are present in the network, the impact of the method is bounded by the fact that the solution to the inherent rate allocation problem is based on a compromise between low and high bandwidth receivers. To tackle this problem, we propose a novel video multicast scheme that enhances the combination of MD and network coding with a mechanism that allows all intermediate nodes to actively participate in MD coding by adjusting the size of the video descriptions. In this way, it is possible to tune the rate of the transmitted video stream in order to meet the needs of each receiver. The proposed method significantly improves the quality of the video delivered to all the receivers in the network, regardless of their heterogeneity.

Τα ασύρματα αδόμητα δίκτυα είναι δίκτυα με τη δυνατότητα αυτό-οργάνωσης που μπορούν να δημιουργηθούν αυθόρμητα χωρίς την ανάγκη ύπαρξης κάποιας δικτυακής υποδομής. Η λειτουργία των δικτύων αυτών στηρίζεται στην από κοινού χρήση των πόρων και στην υποχρέωση κάθε κόμβου να αποθηκεύει και να προωθεί δεδομένα από άλλους κόμβους του δικτύου. Ωστόσο, ακόμα και σήμερα υπάρχουν σημαντικοί περιορισμοί στην ενέργεια που είναι διαθέσιμη σε κάθε ένα από τα φορητά τερματικά που απαρτίζουν το δίκτυο. Συνεπώς, η σχεδίαση ενεργειακά αποδοτικών πρωτοκόλλων δικτύωσης είναι ιδιαίτερης σημασίας για τα δίκτυα αυτά. Στη διατριβή αυτή εξετάζουμε δικτυακούς αλγόριθμους που χρησιμοποιούν πολλαπλά αντίγραφα ενός μηνύματος. Οι αλγόριθμοι αυτοί παρότι είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί ως προς την ικανότητα να παραδίδουν την πληροφορία, έχουν σημαντικό ενεργειακό κόστος λόγω της ανάγκης για μεγάλο πλήθος μεταδόσεων. Στόχος είναι η σχεδίαση αλγόριθμων που έχουν χαμηλότερο ενεργειακό κόστος χωρίς ωστόσο αυτό να μεταφράζεται σε μειωμένη αποδοτικότητα. Εστιάζουμε σε δύο σημαντικές κατηγορίες δικτύων: τα κινητά αδόμητα δίκτυα (mobile ad hoc networks) και τα οπορτουνιστικά δίκτυα (opportunistic networks). Στο πρώτο μέρος της διατριβής εξετάζουμε την ενεργειακή απόδοση των αλγόριθμων ευρείας εκπομπής (broadcasting) σε κινητά αδόμητα δίκτυα. Η τρέχουσα τάση στο πεδίο αυτό συνδυάζει παραδοσιακούς αλγόριθμους ευρείας εκπομπής με την κωδικοποίηση δικτύου (network coding). Η συνέργεια αυτή αφενός μπορεί να μειώσει το ενεργειακό κόστος, αφετέρου αυξάνει την ασφάλεια καθώς και την προστασία από σφάλματα μετάδοσης. Αρχικά εστιάζουμε στην κατηγορία αλγορίθμων ευρείας εκπομπής με κωδικοποίηση XOR (XOR-based coding). Παρά το γεγονός ότι οι αλγόριθμοι αυτής της κατηγορίας είναι ευρέως διαδεδομένοι, δείχνουμε ότι αποτυγχάνουν σε συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας του δικτύου. Αυτό οφείλεται στο ότι βασικοί μηχανισμοί της ευρείας εκπομπής είναι από τη φύση τους μη συμβατοί με την κωδικοποίηση XOR. Για το λόγο αυτό προτείνουμε τροποποιήσεις που αποκαθιστούν τη συμβατότητα μεταξύ της παραδοσιακής ευρείας εκπομπής και της κωδικοποίησης XOR. Επιπλέον, για πρώτη φορά, χρησιμοποιούμε την κωδικοποίηση XOR όχι μόνο για να μειώσουμε το ενεργειακό κόστος αλλά και για να βελτιώσουμε την καθυστέρηση. Στη συνέχεια, εστιάζουμε στην ευρεία εκπομπή με τυχαία γραμμική κωδικοποίηση δικτύου (random linear network coding - RLNC). Παρατηρούμε ότι στη σχετική βιβλιογραφία η κωδικοποίηση RLNC συνδυάζεται με πιθανοτικές μεθόδους προώθησης. Ωστόσο, δείχνουμε αναλυτικά ότι η πιθανοτική προώθηση μηνυμάτων είναι επιβλαβής για τη λειτουργία της κωδικοποίησης RLNC. Για το λόγο αυτό η προσέγγισή μας είναι να αντικαταστήσουμε την πιθανοτική προώθηση με μια ντετερμινιστική προσέγγιση που στηρίζεται στην κατασκευή ενός συνεκτικού κυρίαρχου συνόλου. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε για πρώτη φορά μια πιο συστηματική μείωση των διπλότυπων στο δίκτυο και δείχνουμε ότι αυτό δεν επηρεάζει με αρνητικό τρόπο τη λειτουργία της κωδικοποίησης RLNC. Επιπλέον, εξετάσουμε θέματα κατανεμημένης υλοποίησης της κωδικοποίησης RLNC που είναι ιδιαίτερα σημαντικά για δίκτυα κινητών κόμβων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζουμε την ενεργειακή απόδοση των αλγορίθμων δρομολόγησης (routing) σε οπορτουνιστικά δίκτυα. Βασικό χαρακτηριστικό των δικτύων αυτών είναι η διακοπτόμενη συνδεσιμότητα μεταξύ των κόμβων. Η επικρατούσα στρατηγική δρομολόγησης σε αυτή την κατηγορία βασίζεται στην χρήση πολλαπλών αντιτύπων ενός μηνύματος. Ωστόσο, η προσέγγιση αυτή έχει σημαντικό αντίκτυπο στους περιορισμένους πόρους των κόμβων και κυρίως στα αποθέματα ενέργειας. Προκειμένου να βελτιώσουμε την εξοικονόμηση ενέργειας παρουσιάζουμε ένα νέο αλγόριθμο δρομολόγησης που στοχεύει στην ευέλικτη διαχείριση των αντιτύπων κατά μήκος του δικτύου. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος αξιοποιεί τις επαναλαμβανόμενες επαφές μεταξύ των κόμβων που διατηρούν αντίτυπα για να συγχρονίσει την εικόνα τους σχετικά με την κατάσταση της δρομολόγησης. Η πληροφορία αυτή βελτιώνει σημαντικά τις αποφάσεις δρομολόγησης αποφεύγοντας τη δημιουργία περιττών αντιτύπων. Επιπλέον, για πρώτη φορά, δείχνουμε ότι μπορούν να αξιοποιηθούν κατά τη δρομολόγηση οι κόμβοι που δεν έχουν λάβει κάποιο αντίτυπο. Σχεδιάζουμε κατάλληλους μηχανισμούς που επιτρέπουν στους κόμβους αυτούς να αναγνωρίζουν πακέτα για τα οποία κρίθηκαν ακατάλληλοι στο παρελθόν και να ακυρώνουν τη δημιουργία περιττών αντιτύπων.

Network coding is commonly used to improve the energy efficiency of network-wide broadcasting in wireless multi-hop networks. In this work, we focus on XOR-based broadcasting in mobile ad hoc networks with multiple sources. We make the observation that the common approach, which is to benefit from the synergy of XOR network coding with a CDS-based broadcast algorithm, suffers performance breakdowns. After delving into the details of this synergy, we attribute this behavior to an important mechanism of the underlying broadcast algorithm, known as the "termination criterion". To tackle the problem, we propose a termination criterion that is fully compatible with XOR coding. In addition to that, we revisit the internals of XOR coding. We first enhance the synergy of XOR coding with the underlying broadcast algorithm by allowing each mechanism to benefit from information available by the other. In this way, we manage to improve the pruning efficiency of the CDS-based algorithm while at the same time we come up with a method for detecting coding opportunities that has minimal storage and processing requirements compared to current approaches. Then, for the first time, we use XOR coding as a mechanism not only for enhancing energy efficiency but also for reducing the end-to-end-delay. We validate the effectiveness of our proposed algorithm through extensive simulations on a diverse set of scenarios.