12 research outputs found

    An improved medium access control protocol for real-time applications in WLANs and its firmware development

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    The IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN), commonly known as Wi-Fi, has emerged as a popular internet access technology and researchers are continuously working on improvement of the quality of service (QoS) in WLAN by proposing new and efficient schemes. Voice and video over Internet Protocol (VVoIP) applications are becoming very popular in Wi-Fi enabled portable/handheld devices because of recent technological advancements and lower service costs. Different from normal voice and video streaming, these applications demand symmetric throughput for the upstream and downstream. Existing Wi-Fi standards are optimised for generic internet applications and fail to provide symmetric throughput due to traffic bottleneck at access points. Performance analysis and benchmarking is an integral part of WLAN research, and in the majority of the cases, this is done through computer simulation using popular network simulators such as Network Simulator ff 2 (NS-2) or OPNET. While computer simulation is an excellent approach for saving time and money, results generated from computer simulations do not always match practical observations. This is why, for proper assessment of the merits of a proposed system in WLAN, a trial on a practical hardware platform is highly recommended and is often a requirement. In this thesis work, with a view to address the abovementioned challenges for facilitating VoIP and VVoIP services over Wi-Fi, two key contributions are made: i) formulating a suitable medium access control (MAC) protocol to address symmetric traffic scenario and ii) firmware development of this newly devised MAC protocol for real WLAN hardware. The proposed solution shows signifocant improvements over existing standards by supporting higher number of stations with strict QoS criteria. The proposed hardware platform is available off-the-shelf in the market and is a cost effective way of generating and evaluating performance results on a hardware system

    Final report on the evaluation of RRM/CRRM algorithms

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    Deliverable public del projecte EVERESTThis deliverable provides a definition and a complete evaluation of the RRM/CRRM algorithms selected in D11 and D15, and evolved and refined on an iterative process. The evaluation will be carried out by means of simulations using the simulators provided at D07, and D14.Preprin

    Design of rate-adaptive MAC and medium aware routing protocols for multi-rate, multi-hop wireless networks

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    The IEEE 802.11 standard conformant wireless communication stations have multi-rate transmission capability. To achieve greater communication efficiency, multi-rate capable stations use rateadaptation to select appropriate transmission rate according to variations in the channel quality. The thesis presents two rate-adaptation schemes, each belonging to one of the two classes of rateadaptation schemes i.e.(1) the frame-transmission statistics based schemes, and (2) Signal-to-Noise Ratio (SNR) based, closed loop schemes. The SNR-based rate-adaptation scheme, proposed in this thesis uses a novel mechanism of delivering a receiver’s feedback to a transmitter; without requiring any modification in the standard frames as suggested by existing research. The frame-transmissionstatistics based rate adaptation solution uses an on-demand incremental strategy for selecting a rate-selection threshold. This solution is based on a cross-layer communication framework, where the rate-adaptation module uses information to/from the Application layer along with relevant information from the Medium Access Control (MAC) sub-layer. The proposed solutions are highly responsive when compared with existing rate-adaptation schemes; responsiveness is one of the key factors in the design of such protocols. The novel feedback mechanism makes it possible to achieve frame-loss differentiation with just three frames, avoiding the use of Request To Send/ Clear To Send (RTS/CTS) frames and further delays in this process. Performance tests have affirmed that the proposed rate-adaptation schemes are energy efficient; with efficiency up to 19% in specific test scenarios. In terms of throughput and frame loss-differentiation mechanisms, the proposed schemes have shown significantly better performance.Routing protocols for Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs) use broadcast frames during the route discovery process. The 802.11 mandates the use of different transmission rates for broadcast and unicast (data-) frames. In many cases it causes creation of communication gray zones, where stations which are marked as ‘reachable neighbours’ using the broadcast frames (using lower transmission rate) are not accessible during normal, unicast communication (mainly at a higher rate). Similarly, higher device density, interference and mobility cause variable medium access delays. The IEEE 802.11e introduces four different MAC level queues for four access categories, maintaining service priority within the queues; which implies that frames from a higher priority queue are serviced more frequently than those belonging to lower priority queues. Such an enhancement at the MAC sub-layer introduces uneven queuing delays. Conventional routing protocols are unaware of such MAC specific constraints and as a result these factors are not considered which result in severe performance deterioration. To meet such challenges, the thesis presents a medium aware distance vector (MADV) routing protocol for MANETs. MADV uses MAC and physical layer (PHY) specific information in the route metric and maintains a separate route per-AC-per-destination in its routing tables. The MADV-metric can be incorporated into various routing rotocols and its applicability is determined by the possibility of provision of MAC dependent arameters that are used to determine the hop-by-hop MADV-metric values. Simulation tests and omparison with existing MANET protocols demonstrate the effectiveness of incorporating the medium dependent parameters and show that MADV is significantly better in terms of end-to-end delay and throughput.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

    Systèmes communicants sans fil pour les réseaux avioniques embarqués

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    L'objet de nos travaux porte sur la proposition d'une architecture hybride IEEE 802.11e/AFDX (Avionics Full Duplex switched ethernet) et sur l'étude des techniques permettant l'interconnexion d'un réseau avionique filaire AFDX et d'un réseau sans fil IEEE802.11e pour des applications de maintenance au sol. Ces techniques devront être capables de satisfaire les exigences temporelles des flux AFDX, en particulier la latence de bout à bout et la gigue. Pour des raisons de déterminisme d'accès au médium, nous avons focalisé nos travaux sur l'adaption de la méthode d'accès HCCA (HCF Controlled Channel Access) pour supporter les exigences de QoS du réseau AFDX. L'utilisation de la technologie IEEE 802.11e et de sa méthode d'accès HCCA n'est pas sans contrainte. L'HCCA est plus orientées pour transporter des flux multimédias tels que la voix et la vidéo, ces derniers n'imposant pas les mêmes contraintes temporelles ni le même niveau d'intégrité des données que les flux AFDX. Pour répondre aux exigences des trafics AFDX (gigue et latence), il est primordial d'améliorer l'HCCA. Nous proposons ainsi une méthode d'accès basée sur l'HCCA appelé AFS-HCCA (AFDX Flows Scheduling with HCCA). Notre méthode implémente deux ordonnanceurs: (1) un ordonnanceur local distribué sur toutes les stations (QSTA) et (2) un ordonnanceur centralisé et contrôlé par le point d'accès (HC). L'ordonnanceur local nommé AWS (AFDX Wireless Scheduler) améliore considérablement celui de référence HCCA, car il sérialise les trames en fonction de leurs contraintes temporelles et intègre une méthode de retransmission contrôlée. AWS n'agit pas sur l'optimisation de la bande passante, d'où notre proposition de deux stratégies supplémentaires: Optimized Solution et Released Bandwidth Solution. Les résultats obtenus par l'ordonnancement AWS distribué et ses stratégies de gestion de la bande passante montrent de réelles nouvelles performances par rapport à la norme HCCA. Cependant, il est indispensable d'ordonnancer de façon centralisée l'ensemble de ces flux pour garantir un accès optimal au médium. Nous avons proposé deux méthodes d'ordonnancement hors-ligne : AFBA (Advanced Fixe BandWidth Allocation) et VBA (Variable Bandwidth Allocation). AFBA alloue des bandes passantes fixes calculées à priori pour satisfaire les exigences temporelles de tous les flux AFDX. VBA quant à lui est basé sur une allocation de bandes passantes variables calculée en fonction des arrivées des trames dans les files d'attente de chaque station. Les ordonnanceurs locaux et centraux avec leurs variantes ont été modélisés et simulés avec OPNET à partir de différents scénarios réels de flux AFDX. Les résultats montrent que l'HCCA de référence de la norme 802.11e n'est pas adapté aux fortes contraintes temporelles de l'AFDX. Nos contributions en termes de sérialisation des flux et d'optimisation de la bande passante réduisent les pertes de trames de 93%, même dans un pire cas avec un réseau chargé et un taux d'erreur binaire élevé

    New Challenges in Quality of Services Control Architectures in Next Generation Networks

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    A mesura que Internet i les xarxes IP s'han anat integrant dins la societat i les corporacions, han anat creixent les expectatives de nous serveis convergents així com les expectatives de qualitat en les comunicacions. Les Next Generation Networks (NGN) donen resposta a les noves necessitats i representen el nou paradigma d'Internet a partir de la convergència IP. Un dels aspectes menys desenvolupats de les NGN és el control de la Qualitat del Servei (QoS), especialment crític en les comunicacions multimèdia a través de xarxes heterogènies i/o de diferents operadors. A més a més, les NGN incorporen nativament el protocol IPv6 que, malgrat les deficiències i esgotament d'adreces IPv4, encara no ha tingut l'impuls definitiu.Aquesta tesi està enfocada des d'un punt de vista pràctic. Així doncs, per tal de poder fer recerca sobre xarxes de proves (o testbeds) que suportin IPv6 amb garanties de funcionament, es fa un estudi en profunditat del protocol IPv6, del seu grau d'implementació i dels tests de conformància i interoperabilitat existents que avaluen la qualitat d'aquestes implementacions. A continuació s'avalua la qualitat de cinc sistemes operatius que suporten IPv6 mitjançant un test de conformància i s'implementa el testbed IPv6 bàsic, a partir del qual es farà la recerca, amb la implementació que ofereix més garanties.El QoS Broker és l'aportació principal d'aquesta tesi: un marc integrat que inclou un sistema automatitzat per gestionar el control de la QoS a través de sistemes multi-domini/multi-operador seguint les recomanacions de les NGN. El sistema automatitza els mecanismes associats a la configuració de la QoS dins d'un mateix domini (sistema autònom) mitjançant la gestió basada en polítiques de QoS i automatitza la negociació dinàmica de QoS entre QoS Brokers de diferents dominis, de forma que permet garantir QoS extrem-extrem sense fissures. Aquesta arquitectura es valida sobre un testbed de proves multi-domini que utilitza el mecanisme DiffServ de QoS i suporta IPv6.L'arquitectura definida en les NGN permet gestionar la QoS tant a nivell 3 (IP) com a nivell 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permet gestionar també xarxes PLC. Aquesta tesi proposa una aproximació teòrica per aplicar aquesta arquitectura de control, mitjançant un QoS Broker, a les noves xarxes PLC que s'estan acabant d'estandarditzar, i discuteix les possibilitats d'aplicació sobre les futures xarxes de comunicació de les Smart Grids.Finalment, s'integra en el QoS Broker un mòdul per gestionar l'enginyeria del tràfic optimitzant els dominis mitjançant tècniques de intel·ligència artificial. La validació en simulacions i sobre un testbed amb routers Cisco demostra que els algorismes genètics híbrids són una opció eficaç en aquest camp.En general, les observacions i avenços assolits en aquesta tesi contribueixen a augmentar la comprensió del funcionament de la QoS en les NGN i a preparar aquests sistemes per afrontar problemes del món real de gran complexitat.A medida que Internet y las redes IP se han ido integrando dentro de la sociedad y las corporaciones, han ido creciendo las expectativas de nuevos servicios convergentes así como las expectativas de calidad en las comunicaciones. Las Next Generation Networks (NGN) dan respuesta a las nuevas necesidades y representan el nuevo paradigma de Internet a partir de la convergencia IP. Uno de los aspectos menos desarrollados de las NGN es el control de la Calidad del Servicio (QoS), especialmente crítico en las comunicaciones multimedia a través de redes heterogéneas y/o de diferentes operadores. Además, las NGN incorporan nativamente el protocolo IPv6 que, a pesar de las deficiencias y agotamiento de direcciones IPv4, aún no ha tenido el impulso definitivo.Esta tesis está enfocada desde un punto de vista práctico. Así pues, con tal de poder hacer investigación sobre redes de prueba (o testbeds) que suporten IPv6 con garantías de funcionamiento, se hace un estudio en profundidad del protocolo IPv6, de su grado de implementación y de los tests de conformancia e interoperabilidad existentes que evalúan la calidad de estas implementaciones. A continuación se evalua la calidad de cinco sistemas operativos que soportan IPv6 mediante un test de conformancia y se implementa el testbed IPv6 básico, a partir del cual se realizará la investigación, con la implementación que ofrece más garantías.El QoS Broker es la aportación principal de esta tesis: un marco integrado que incluye un sistema automatitzado para gestionar el control de la QoS a través de sistemas multi-dominio/multi-operador siguiendo las recomendaciones de las NGN. El sistema automatiza los mecanismos asociados a la configuración de la QoS dentro de un mismo dominio (sistema autónomo) mediante la gestión basada en políticas de QoS y automatiza la negociación dinámica de QoS entre QoS brokers de diferentes dominios, de forma que permite garantizar QoS extremo-extremo sin fisuras. Esta arquitectura se valida sobre un testbed de pruebas multi-dominio que utiliza el mecanismo DiffServ de QoS y soporta IPv6. La arquitectura definida en las NGN permite gestionar la QoS tanto a nivel 3 (IP) o como a nivel 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permite gestionar también redes PLC. Esta tesis propone una aproximación teórica para aplicar esta arquitectura de control, mediante un QoS Broker, a las noves redes PLC que se están acabando de estandardizar, y discute las posibilidades de aplicación sobre las futuras redes de comunicación de las Smart Grids.Finalmente, se integra en el QoS Broker un módulo para gestionar la ingeniería del tráfico optimizando los dominios mediante técnicas de inteligencia artificial. La validación en simulaciones y sobre un testbed con routers Cisco demuestra que los algoritmos genéticos híbridos son una opción eficaz en este campo.En general, las observaciones y avances i avances alcanzados en esta tesis contribuyen a augmentar la comprensión del funcionamiento de la QoS en las NGN y en preparar estos sistemas para afrontar problemas del mundo real de gran complejidad.The steady growth of Internet along with the IP networks and their integration into society and corporations has brought with it increased expectations of new converged services as well as greater demands on quality in communications. The Next Generation Networks (NGNs) respond to these new needs and represent the new Internet paradigm from the IP convergence. One of the least developed aspects in the NGNs is the Quality of Service (QoS) control, which is especially critical in the multimedia communication through heterogeneous networks and/or different operators. Furthermore, the NGNs natively incorporate the IPv6 protocol which, despite its shortcomings and the depletion of IPv4 addresses has not been boosted yet.This thesis has been developed with a practical focus. Therefore, with the aim of carrying out research over testbeds supporting the IPv6 with performance guarantees, an in-depth study of the IPv6 protocol development has been conducted and its degree of implementation and the existing conformance and interoperability tests that evaluate these implementations have been studied. Next, the quality of five implementations has been evaluated through a conformance test and the basic IPv6 testbed has been implemented, from which the research will be carried out. The QoS Broker is the main contribution to this thesis: an integrated framework including an automated system for QoS control management through multi-domain/multi-operator systems according to NGN recommendations. The system automates the mechanisms associated to the QoS configuration inside the same domain (autonomous system) through policy-based management and automates the QoS dynamic negotiation between peer QoS Brokers belonging to different domains, so it allows the guarantee of seamless end-to-end QoS. This architecture is validated over a multi-domain testbed which uses the QoS DiffServ mechanism and supports IPv6.The architecture defined in the NGN allows QoS management at level 3 (IP) as well as at level 2 (e.g. Ethernet, WiFi) so it also facilitates the management of PLC networks. Through the use of a QoS Broker, this thesis proposes a theoretical approach for applying this control architecture to the newly standardized PLC networks, and discusses the possibilities of applying it over the future communication networks of the Smart Grids.Finally, a module for managing traffic engineering which optimizes the network domains through artificial intelligence techniques is integrated in the QoS Broker. The validations by simulations and over a Cisco router testbed demonstrate that hybrid genetic algorithms are an effective option in this area.Overall, the advances and key insights provided in this thesis help advance our understanding of QoS functioning in the NGNs and prepare these systems to face increasingly complex problems, which abound in current industrial and scientific applications

    Bandwidth reservation in mobile ad hoc networks for providing QoS : adaptation for voice support

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    Le support de qualité de service (QoS) dans les réseaux MANETs (Mobile Ad-Hoc NETworks) a attiré une grande attention ces dernières années. Bien que beaucoup de travaux de recherche ont été consacré pour offrir la QoS dans les réseaux filaires et cellulaires, les solutions de QoS pour le support du trafic temps réel dans les MANET reste l'un des domaines de recherche les plus difficiles et les moins explorés. En fait, les applications temps réel telles que la voix et la vidéo ne pourrait pas fonctionner correctement dans les MANET sans l'utilisation d'un protocole de contrôle d'accès au support (MAC) orienté QoS. En effet, les trafics temps réel demandent des exigences strictes en termes de délai de transmission et de taux de perte de paquets qui peuvent être remplies uniquement si la sous-couche MAC fournit un délai d'accès au canal borné, et un faible taux de collision. Le but de cette thèse est la proposition et l'analyse d'un protocole MAC basé sur la réservation pour garantir la QoS dans les MANETs. Tout d'abord, nous étudions un problème majeur dans la réservation de ressources dans les MANETs qui est la cohérence des réservations. Notre analyse des protocoles de réservation existant pour les MANETs révèle que de nombreux conflits de réservations entre les nœuds voisins se produisent pendant la phase d'établissement de réservation. Ces conflits, qui sont principalement dues à la collision des messages de contrôle de réservation, ont un impact important sur les performances du protocole de réservation, et conduisent à un taux de collision et de perte de paquet importants pendant la durée de vie de la connexion, ce qui n'est pas acceptable pour les trafics temps réels. Nous proposons un nouveau protocole MAC basé sur la réservation qui résout ces conflits. Le principe de notre protocole est d'établir une meilleure coordination entre les nœuds voisins afin d'assurer la cohérence des réservations. Ainsi, avant de considérer qu'une réservation est réussite, le protocole s'assure que chaque message de contrôle envoyé par un nœud pour établir une réservation est bien reçu par tous ses nœuds voisins. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous appliquons le protocole de réservation proposé au trafic de type voix. Ainsi, nous étendons ce protocole afin de prendre en compte les caractéristiques du trafic voix, tout en permettant le transport de trafic de données. Nous nous focalisons sur l'utilisation efficace de la bande passante et les mécanismes pour réduire le gaspillage de bande passante. La dernière partie de cette thèse concerne l'extension du protocole proposé en vue de réserver la bande passante pour une connexion temps réel sur un chemin. Ainsi, le protocole MAC de réservation proposé est couplé avec un protocole de routage réactif. En outre, le protocole est étendu avec des mécanismes de gestion de à mobilité afin de faire face à la dégradation des performances due à la mobilité des nœuds. Nous évaluons les performances du protocole proposé dans plusieurs scénarios dans lesquels nous montrons sa supériorité par rapport aux standards existants.QoS provisioning over Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs) has attracted a great attention in recent years. While much research effort has been devoted to provide QoS over wired and cellular networks, QoS solutions for the support of real-time traffic over MANETs remains one of the most challenging and least explored areas. In fact, real-time applications such as voice and video could not function properly on MANETs without a QoS oriented medium access control (MAC) scheme. Indeed, real-time traffics claim strict requirements in terms of transmission delay and packet dropping that can be fulfilled only if the MAC sub-layer provides bounded channel access delay, and low collision rate. The purpose of this thesis is the proposal and analysis of an efficient reservation MAC protocol to provide QoS support over MANETs. Firstly, we study one major issue in resource reservation for MANETs which is reservation consistency. Our analysis of existing reservation MAC protocols for MANETs reveals that many reservation conflicts between neighbor nodes occur during the reservation establishment phase. These conflicts which are mainly due to collisions of reservation control messages, have an important impact on the performance of the reservation protocol, and lead to a significant collision and loss of packets during the life-time of the connection, which is not acceptable for real-time traffics. We design a new reservation MAC protocol that resolves these conflicts. The main principle of our protocol is to achieve better coordination between neighbor nodes in order to ensure consistency of reservations. Thus, before considering a reservation as successful, the protocol tries to ensure that each reservation control message transmitted by a node is successfully received by all its neighbors. In the second part of this thesis, we apply the proposed reservation protocol to voice traffic. Thus, we extend this protocol in order to take into account the characteristics of voice traffic, while enabling data traffic. We focus on efficient bandwidth utilization and mechanisms to reduce the waste of bandwidth. The last part of this thesis relates to the extension of the proposed protocol in order to reserve resources for a real-time connection along a path. Thus, the proposed reservation MAC protocol is coupled with a reactive routing protocol. In addition, the protocol is extended with mobility handling mechanisms in order to cope with performance degradation due to mobility of nodes. We evaluate the performance of the proposed scheme in several scenarios where we show its superiority compared to existing standards
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